1.1 Algemene inleiding voor het constructief ontwerp van betondetails
Het ontwerp en de beoordeling van betonelementen worden normaal gesproken uitgevoerd op het niveau van de doorsnede (1D-element) of het punt (2D-element). Deze procedure is beschreven in alle normen voor constructief ontwerp, bijv. in (EN 1992-1-1 of ACI 318-19), en wordt dagelijks toegepast in de constructieve praktijk. Het is echter niet altijd bekend of gerespecteerd dat de procedure alleen acceptabel is in gebieden waar de Bernoulli-Navier hypothese van vlakke rekverdelingen van toepassing is (aangeduid als B-gebieden). De plaatsen waar deze hypothese niet van toepassing is, worden discontinuïteits- of verstoorde gebieden (D-gebieden) genoemd. Voorbeelden van B- en D-gebieden van 1D-elementen zijn weergegeven in (Fig. 1). Dit zijn bijvoorbeeld opleggingen, delen waar geconcentreerde belastingen worden aangebracht, locaties waar een abrupte verandering in de doorsnede optreedt, openingen, enz. Bij het ontwerpen van betonconstructies komen we ook veel andere D-gebieden tegen, zoals wanden, brugdiafragma's, consoles, enz.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1\qquad Discontinuity regions (Navrátil et al. 2017)}}}\]
In het verleden werden semi-empirische ontwerpregels gebruikt voor het dimensioneren van discontinuïteitsgebieden. Gelukkig zijn deze regels de afgelopen decennia grotendeels vervangen door staafwerkmodellen (Schlaich et al., 1987) en spanningsvelden (Marti 1985), die zijn opgenomen in de huidige ontwerpcodes en tegenwoordig veelvuldig door ontwerpers worden gebruikt. Deze modellen zijn mechanisch consistente en krachtige hulpmiddelen. Merk op dat spanningsvelden over het algemeen continu of discontinu kunnen zijn en dat staafwerkmodellen een speciaal geval zijn van discontinue spanningsvelden.
Ondanks de evolutie van rekentools in de afgelopen decennia worden Staafwerk-modellen in wezen nog steeds gebruikt als handberekeningen. Hun toepassing voor praktijkconstructies is omslachtig en tijdrovend, omdat iteraties vereist zijn en meerdere belastinggevallen in beschouwing moeten worden genomen. Bovendien is deze methode niet geschikt voor het verifiëren van bruikbaarheidscriteria (vervormingen, scheurbreedten, enz.).
De interesse van constructeurs in een betrouwbaar en snel hulpmiddel voor het ontwerpen van D-gebieden leidde tot de beslissing om de nieuwe Compatible Stress Field Method te ontwikkelen, een methode voor computerondersteund spanningsveldontwerp die het automatisch ontwerpen en beoordelen van constructief betonnen staven onder vlakke belasting mogelijk maakt.
De Compatible Stress Field Method (CSFM) is een continue op EEM gebaseerde spanningsveldanalysemethode waarbij klassieke spanningsveldoplossingen worden aangevuld met kinematische beschouwingen, d.w.z. de rekstoestand wordt door de gehele constructie geëvalueerd. Daardoor kan de effectieve druksterkte van beton automatisch worden berekend op basis van de dwarsrekstoestand, op een vergelijkbare manier als bij drukveldsanalyses die rekening houden met compression softening (Vecchio and Collins 1986; Kaufmann and Marti 1998) en de EPSF-methode (Fernández Ruiz and Muttoni 2007). Bovendien houdt de CSFM rekening met tension stiffening, waardoor realistische stijfheden aan de elementen worden toegekend, en dekt alle voorschriften uit de ontwerpcodes (inclusief bruikbaarheids- en vervormingscapaciteitsaspecten) die door eerdere benaderingen niet consistent werden behandeld. De CSFM maakt gebruik van gangbare eenassige spanning-rek-wetten die door ontwerpcodes worden voorgeschreven voor beton en wapening. Deze zijn bekend in de ontwerpfase, waardoor de partiële veiligheidsfactormethode kan worden toegepast. Ontwerpers hoeven daarom geen aanvullende, vaak willekeurige materiaaleigenschappen op te geven zoals doorgaans vereist bij niet-lineaire EEM-analyses, waardoor de methode perfect geschikt is voor de ingenieurspraktijk.
Om het gebruik van computerondersteunde spanningsvelden door constructeurs te bevorderen, dienen deze methoden te worden geïmplementeerd in gebruiksvriendelijke softwareomgevingen. Daartoe is de CSFM geïmplementeerd in IDEA StatiCa Detail; een nieuwe gebruiksvriendelijke commerciële software die gezamenlijk is ontwikkeld door ETH Zürich en het softwarebedrijf IDEA StatiCa in het kader van het DR-Design Eurostars-10571 project.