1.1 Introduzione generale alla progettazione strutturale dei dettagli in calcestruzzo
La progettazione e la verifica degli elementi in calcestruzzo vengono normalmente eseguite a livello sezionale (elemento 1D) o puntuale (elemento 2D). Questa procedura è descritta in tutte le normative per la progettazione strutturale, ad esempio in (EN 1992-1-1 o ACI 318-19), ed è utilizzata nella pratica quotidiana dell'ingegneria strutturale. Tuttavia, non sempre è noto o rispettato il fatto che la procedura è accettabile solo nelle zone in cui si applica l'ipotesi di Bernoulli-Navier sulla distribuzione piana delle deformazioni (denominate regioni B). Le zone in cui questa ipotesi non si applica sono chiamate regioni di discontinuità o perturbate (regioni D). Esempi di regioni B e D per elementi 1D sono riportati in (Fig. 1). Si tratta, ad esempio, di zone di appoggio, parti in cui vengono applicati carichi concentrati, posizioni in cui si verifica una variazione brusca della sezione trasversale, aperture, ecc. Nella progettazione di strutture in calcestruzzo si incontrano molte altre regioni D, come pareti, diaframmi di ponti, mensole corte, ecc.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1\qquad Discontinuity regions (Navrátil et al. 2017)}}}\]
In passato, per il dimensionamento delle regioni di discontinuità venivano utilizzate regole di progettazione semi-empiriche. Fortunatamente, nel corso degli ultimi decenni queste regole sono state in gran parte sostituite dai modelli puntone-e-tirante (Schlaich et al., 1987) e dai campi di tensioni (Marti 1985), che sono presenti nelle normative di progettazione attuali e ampiamente utilizzati dai progettisti oggi. Questi modelli sono strumenti meccanicamente coerenti e potenti. Si noti che i campi di tensioni possono essere in generale continui o discontinui e che i modelli puntone-e-tirante rappresentano un caso particolare di campi di tensioni discontinui.
Nonostante l'evoluzione degli strumenti di calcolo negli ultimi decenni, i modelli Puntone-e-Tirante vengono ancora essenzialmente utilizzati come calcoli manuali. La loro applicazione a strutture reali è laboriosa e dispendiosa in termini di tempo, poiché sono necessarie iterazioni e occorre considerare più combinazioni di carico. Inoltre, questo metodo non è adatto alla verifica dei criteri di stato limite di esercizio (deformazioni, ampiezza delle fessure, ecc.).
L'interesse degli ingegneri strutturali per uno strumento affidabile e rapido per la progettazione delle regioni D ha portato alla decisione di sviluppare il nuovo Metodo del Campo di Tensioni Compatibile, un metodo per la progettazione assistita da computer dei campi di tensioni che consente la progettazione e la verifica automatica di elementi in calcestruzzo strutturale soggetti a carichi nel piano.
Il Metodo del Campo di Tensioni Compatibile (CSFM) è un metodo di analisi continua dei campi di tensioni basato sugli elementi finiti, in cui le soluzioni classiche dei campi di tensioni sono integrate con considerazioni cinematiche, ovvero lo stato di deformazione viene valutato in tutta la struttura. Pertanto, la resistenza a compressione efficace del calcestruzzo può essere calcolata automaticamente in base allo stato di deformazione trasversale, in modo analogo alle analisi dei campi di compressione che tengono conto dell'ammorbidimento a compressione (Vecchio e Collins 1986; Kaufmann e Marti 1998) e al metodo EPSF (Fernández Ruiz e Muttoni 2007). Inoltre, il CSFM considera l'irrigidimento a trazione, fornendo rigidezze realistiche agli elementi, e copre tutte le prescrizioni normative (inclusi gli aspetti di esercizio e di capacità deformativa) non affrontate in modo coerente dagli approcci precedenti. Il CSFM utilizza le comuni leggi costitutive uniassiali fornite dalle normative di progettazione per il calcestruzzo e l'armatura. Queste sono note nella fase di progettazione, il che consente l'utilizzo del metodo dei coefficienti parziali di sicurezza. Pertanto, i progettisti non devono fornire proprietà dei materiali aggiuntive, spesso arbitrarie, come quelle tipicamente richieste per le analisi FE non lineari, rendendo il metodo perfettamente adatto alla pratica ingegneristica.
Per favorire l'uso dei campi di tensioni assistiti da computer da parte degli ingegneri strutturali, questi metodi dovrebbero essere implementati in ambienti software di facile utilizzo. A tal fine, il CSFM è stato implementato in IDEA StatiCa Detail; un nuovo software commerciale di facile utilizzo sviluppato congiuntamente dall'ETH di Zurigo e dalla società software IDEA StatiCa nell'ambito del progetto DR-Design Eurostars-10571.