콘크리트 부재의 설계 및 검토는 일반적으로 단면(1D 부재) 또는 점(2D 부재) 수준에서 수행됩니다. 이 절차는 (EN 1992-1-1 또는 ACI 318-19 등) 모든 구조 설계 표준에 설명되어 있으며, 일상적인 구조 엔지니어링 실무에서 사용됩니다. 그러나 이 절차는 평면 변형률 분포에 대한 베르누이-나비에 가설(B영역이라고 함)이 적용되는 영역에서만 허용된다는 사실이 항상 알려져 있거나 지켜지는 것은 아닙니다. 이 가설이 적용되지 않는 곳을 불연속 영역 또는 교란 영역(D영역)이라고 합니다. 1D 부재의 B영역과 D영역의 예시는 (그림 1)에 나와 있습니다. 이는 예를 들어 지압 영역, 집중 하중이 가해지는 부분, 단면의 급격한 변화가 발생하는 위치, 개구부 등입니다. 콘크리트 구조를 설계할 때는 벽체, 교량 다이아프램, 코벨 등 다른 많은 D영역을 마주하게 됩니다.
과거에는 불연속 영역의 치수 설계에 반경험적 설계 규칙이 사용되었습니다. 다행히 지난 수십 년 동안 이러한 규칙은 스트럿-타이 모델(Schlaich et al., 1987)과 응력장(Marti 1985)으로 대체되었으며, 이는 현재 설계 기준에 반영되어 오늘날 설계자들이 자주 사용하고 있습니다. 이러한 모델은 역학적으로 일관되고 강력한 도구입니다. 응력장은 일반적으로 연속적이거나 불연속적일 수 있으며, 스트럿-타이 모델은 불연속 응력장의 특수한 경우라는 점에 유의해야 합니다.
지난 수십 년간 계산 도구가 발전했음에도 불구하고, 스트럿-타이 모델은 기본적으로 여전히 수계산으로 사용되고 있습니다. 반복 계산이 필요하고 여러 하중 조합을 고려해야 하므로 실제 구조물에 적용하는 것은 번거롭고 시간이 많이 소요됩니다. 또한 이 방법은 사용성 기준(변형, 균열 폭 등)을 검증하는 데는 적합하지 않습니다.
신뢰할 수 있고 빠른 D영역 설계 도구에 대한 구조 엔지니어들의 관심으로 인해, 평면 내 하중을 받는 콘크리트 부재의 자동 설계 및 검토를 가능하게 하는 컴퓨터 지원 응력장 설계 방법인 새로운 적합 응력장 방법을 개발하기로 결정하게 되었습니다.
적합 응력장 방법(CSFM)은 고전적인 응력장 해법에 운동학적 고려사항이 보완된 연속체 유한요소 기반 응력장 해석 방법입니다. 즉, 구조물 전체에 걸쳐 변형률 상태가 평가됩니다. 따라서 콘크리트의 유효 압축 강도는 압축 연화를 고려하는 압축장 해석(Vecchio and Collins 1986; Kaufmann and Marti 1998) 및 EPSF 방법(Fernández Ruiz and Muttoni 2007)과 유사한 방식으로 횡방향 변형률 상태를 기반으로 자동 계산될 수 있습니다. 또한 CSFM은 인장 강성 효과를 고려하여 요소에 현실적인 강성을 제공하며, 이전 접근 방식에서 일관되게 다루지 못했던 사용성 및 변형 능력 측면을 포함한 모든 설계 기준 규정을 충족합니다. CSFM은 설계 기준에서 제공하는 일반적인 콘크리트 및 철근의 일축 구성 법칙을 사용합니다. 이는 설계 단계에서 이미 알려져 있으므로 부분 안전계수법을 사용할 수 있습니다. 따라서 설계자는 비선형 유한요소 해석에 일반적으로 필요한 추가적이고 종종 임의적인 재료 물성치를 제공할 필요가 없어, 이 방법은 엔지니어링 실무에 매우 적합합니다.
구조 엔지니어들이 컴퓨터 지원 응력장을 더 널리 활용할 수 있도록, 이러한 방법은 사용자 친화적인 소프트웨어 환경에 구현되어야 합니다. 이를 위해 CSFM은 IDEA StatiCa 상세 모듈에 구현되었습니다. 이는 DR-Design Eurostars-10571 프로젝트의 틀 안에서 ETH 취리히와 소프트웨어 회사 IDEA StatiCa가 공동으로 개발한 새로운 사용자 친화적 상용 소프트웨어입니다.