1.1 บทนำทั่วไปสำหรับการออกแบบโครงสร้างรายละเอียดคอนกรีต

การออกแบบและประเมินชิ้นส่วนคอนกรีตโดยทั่วไปจะดำเนินการในระดับหน้าตัด (องค์อาคาร 1D) หรือระดับจุด (องค์อาคาร 2D) ขั้นตอนนี้ได้รับการอธิบายไว้ในมาตรฐานการออกแบบโครงสร้างทั้งหมด เช่น ใน (EN 1992-1-1 หรือ ACI 318-19) และใช้ในการปฏิบัติงานวิศวกรรมโครงสร้างในชีวิตประจำวัน อย่างไรก็ตาม ไม่เป็นที่ทราบหรือยอมรับกันเสมอไปว่าขั้นตอนนี้ใช้ได้เฉพาะในบริเวณที่สมมติฐาน Bernoulli-Navier ของการกระจายความเครียดแบบระนาบใช้ได้ (เรียกว่า B-regions) บริเวณที่สมมติฐานนี้ไม่สามารถใช้ได้เรียกว่าบริเวณไม่ต่อเนื่องหรือบริเวณที่ถูกรบกวน (D-Regions) ตัวอย่างของบริเวณ B และ D ของชิ้นส่วน 1D แสดงไว้ใน (รูปที่ 1) ได้แก่ บริเวณรองรับ ส่วนที่มีแรงกระทำแบบเข้มข้น ตำแหน่งที่หน้าตัดเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหัน ช่องเปิด เป็นต้น เมื่อออกแบบโครงสร้างคอนกรีต เราพบ D-Regions อื่นๆ อีกมากมาย เช่น ผนัง แผ่นกั้นสะพาน Console เป็นต้น 

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1\qquad Discontinuity regions (Navrátil et al. 2017)}}}\]

ในอดีต กฎการออกแบบแบบกึ่งประสบการณ์ถูกใช้สำหรับการกำหนดขนาดบริเวณไม่ต่อเนื่อง โชคดีที่กฎเหล่านี้ส่วนใหญ่ถูกแทนที่ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมาด้วยแบบจำลองค้ำยันและตัวดึง (Schlaich et al., 1987) และสนามความเค้น (Marti 1985) ซึ่งปรากฏอยู่ในมาตรฐานการออกแบบปัจจุบันและถูกใช้บ่อยครั้งโดยผู้ออกแบบในปัจจุบัน แบบจำลองเหล่านี้มีความสอดคล้องทางกลศาสตร์และเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพ โปรดทราบว่าสนามความเค้นโดยทั่วไปสามารถเป็นแบบต่อเนื่องหรือไม่ต่อเนื่อง และแบบจำลองค้ำยันและตัวดึงเป็นกรณีพิเศษของสนามความเค้นแบบไม่ต่อเนื่อง

แม้จะมีการพัฒนาเครื่องมือคำนวณในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา แบบจำลองค้ำยันและตัวดึงยังคงถูกใช้เป็นการคำนวณด้วยมือโดยพื้นฐาน การประยุกต์ใช้กับโครงสร้างในโลกจริงนั้นยุ่งยากและใช้เวลานาน เนื่องจากต้องมีการวนซ้ำและต้องพิจารณากรณีแรงกระทำหลายกรณี นอกจากนี้ วิธีนี้ไม่เหมาะสำหรับการตรวจสอบเกณฑ์ความสามารถในการใช้งาน (การเสียรูป ความกว้างรอยแตก เป็นต้น)

ความสนใจของวิศวกรโครงสร้างในเครื่องมือที่เชื่อถือได้และรวดเร็วสำหรับการออกแบบบริเวณ D นำไปสู่การตัดสินใจพัฒนาวิธีสนามความเค้นที่สอดคล้องใหม่ ซึ่งเป็นวิธีการออกแบบสนามความเค้นด้วยคอมพิวเตอร์ที่ช่วยให้สามารถออกแบบและประเมินชิ้นส่วนคอนกรีตโครงสร้างที่รับแรงในระนาบได้โดยอัตโนมัติ

วิธีสนามความเค้นที่สอดคล้อง (CSFM) เป็นวิธีการวิเคราะห์สนามความเค้นแบบต่อเนื่องบนพื้นฐานวิธี Finite Element ซึ่งผลเฉลยสนามความเค้นแบบคลาสสิกได้รับการเสริมด้วยการพิจารณาทางจลนศาสตร์ กล่าวคือ สภาวะความเครียดจะถูกประเมินตลอดทั้งโครงสร้าง ดังนั้น กำลังอัดประสิทธิผลของคอนกรีตสามารถคำนวณได้โดยอัตโนมัติตามสภาวะความเครียดตามขวาง ในลักษณะเดียวกับการวิเคราะห์สนามแรงอัดที่คำนึงถึงการอ่อนตัวจากแรงอัด (Vecchio and Collins 1986; Kaufmann and Marti 1998) และวิธี EPSF (Fernández Ruiz and Muttoni 2007) นอกจากนี้ CSFM ยังพิจารณาการเสริมความแข็งจากแรงดึง ซึ่งให้ความแข็งที่สมจริงแก่ชิ้นส่วน และครอบคลุมข้อกำหนดมาตรฐานการออกแบบทั้งหมด (รวมถึงด้านความสามารถในการใช้งานและความสามารถในการเสียรูป) ที่ไม่ได้รับการแก้ไขอย่างสม่ำเสมอโดยแนวทางก่อนหน้า CSFM ใช้กฎพฤติกรรมวัสดุแบบแกนเดียวทั่วไปที่กำหนดโดยมาตรฐานการออกแบบสำหรับคอนกรีตและเหล็กเสริม ซึ่งเป็นที่ทราบในขั้นตอนการออกแบบ ทำให้สามารถใช้วิธีตัวประกอบความปลอดภัยบางส่วนได้ ดังนั้น ผู้ออกแบบไม่จำเป็นต้องระบุคุณสมบัติวัสดุเพิ่มเติมที่มักเป็นไปตามอำเภอใจ ซึ่งโดยทั่วไปจำเป็นสำหรับการวิเคราะห์ FE แบบไม่เชิงเส้น ทำให้วิธีนี้เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการปฏิบัติงานวิศวกรรม

เพื่อส่งเสริมการใช้สนามความเค้นด้วยคอมพิวเตอร์โดยวิศวกรโครงสร้าง วิธีการเหล่านี้ควรได้รับการนำไปใช้ในสภาพแวดล้อมซอฟต์แวร์ที่ใช้งานง่าย เพื่อจุดประสงค์นี้ CSFM ได้รับการนำไปใช้ใน IDEA StatiCa Detail ซึ่งเป็นซอฟต์แวร์เชิงพาณิชย์ที่ใช้งานง่ายใหม่ที่พัฒนาร่วมกันโดย ETH Zurich และบริษัทซอฟต์แวร์ IDEA StatiCa ในกรอบโครงการ DR-Design Eurostars-10571