1.1 Introdução geral ao dimensionamento estrutural de detalhes de betão
O dimensionamento e a avaliação de elementos de betão são normalmente realizados ao nível seccional (elemento 1D) ou pontual (elemento 2D). Este procedimento está descrito em todas as normas de dimensionamento estrutural, por exemplo, em (EN 1992-1-1 ou ACI 318-19), e é utilizado na prática corrente de engenharia estrutural. No entanto, nem sempre é do conhecimento geral, ou respeitado, que o procedimento só é aceitável em zonas onde se aplica a hipótese de Bernoulli-Navier de distribuição plana de deformações (designadas por regiões B). As zonas onde esta hipótese não se aplica denominam-se regiões de descontinuidade ou perturbadas (regiões D). Exemplos de regiões B e D em elementos 1D são apresentados na (Fig. 1). Estas incluem, por exemplo, zonas de apoio, partes onde são aplicadas cargas concentradas, locais onde ocorre uma variação abrupta da secção transversal, aberturas, etc. No dimensionamento de estruturas de betão, encontramos muitas outras regiões D, tais como paredes, diafragmas de pontes, consolos, etc.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1\qquad Discontinuity regions (Navrátil et al. 2017)}}}\]
No passado, eram utilizadas regras de dimensionamento semi-empíricas para o dimensionamento de regiões de descontinuidade. Felizmente, estas regras foram amplamente substituídas, ao longo das últimas décadas, por modelos de escora-e-tirante (Schlaich et al., 1987) e campos de tensões (Marti 1985), que constam das normas de dimensionamento atuais e são frequentemente utilizados pelos projetistas. Estes modelos são ferramentas mecanicamente consistentes e poderosas. Note-se que os campos de tensões podem ser, em geral, contínuos ou descontínuos, e que os modelos de escora-e-tirante constituem um caso particular de campos de tensões descontínuos.
Apesar da evolução das ferramentas computacionais ao longo das últimas décadas, os modelos de Escora-e-Tirante continuam a ser essencialmente utilizados como cálculos manuais. A sua aplicação a estruturas reais é fastidiosa e morosa, uma vez que são necessárias iterações e vários casos de carga têm de ser considerados. Além disso, este método não é adequado para a verificação de critérios de estado de serviço (deformações, larguras de fendas, etc.).
O interesse dos engenheiros estruturais numa ferramenta fiável e rápida para o dimensionamento de regiões D conduziu à decisão de desenvolver o novo Método do Campo de Tensões Compatível, um método de dimensionamento de campos de tensões assistido por computador que permite o dimensionamento e a avaliação automáticos de elementos de betão estrutural sujeitos a carregamento no plano.
O Método do Campo de Tensões Compatível (CSFM) é um método de análise de campos de tensões contínuos baseado em elementos finitos, no qual as soluções clássicas de campos de tensões são complementadas com considerações cinemáticas, ou seja, o estado de deformação é avaliado em toda a estrutura. Assim, a resistência efetiva à compressão do betão pode ser calculada automaticamente com base no estado de deformação transversal, de forma semelhante às análises de campos de compressão que têm em conta o amolecimento à compressão (Vecchio e Collins 1986; Kaufmann e Marti 1998) e o método EPSF (Fernández Ruiz e Muttoni 2007). Além disso, o CSFM considera o enrijecimento à tração, conferindo rigidezes realistas aos elementos, e abrange todas as prescrições normativas (incluindo aspetos de estado de serviço e capacidade de deformação) não tratados de forma consistente pelas abordagens anteriores. O CSFM utiliza leis constitutivas uniaxiais correntes, fornecidas pelas normas de dimensionamento para o betão e a armadura. Estas são conhecidas na fase de dimensionamento, o que permite a utilização do método dos coeficientes parciais de segurança. Assim, os projetistas não têm de fornecer propriedades dos materiais adicionais, frequentemente arbitrárias, como as tipicamente exigidas para análises não lineares por elementos finitos, tornando o método perfeitamente adequado para a prática de engenharia.
Para promover a utilização de campos de tensões assistidos por computador por parte dos engenheiros estruturais, estes métodos devem ser implementados em ambientes de software de fácil utilização. Para este efeito, o CSFM foi implementado no IDEA StatiCa Detail; um novo software comercial de fácil utilização desenvolvido conjuntamente pela ETH Zurique e pela empresa de software IDEA StatiCa no âmbito do projeto DR-Design Eurostars-10571.