Introducción general al diseño estructural de detalles de hormigón
El diseño y la evaluación de elementos de hormigón se realizan normalmente a nivel seccional (elemento 1D) o puntual (elemento 2D). Este procedimiento está descrito en todas las normativas de diseño estructural, por ejemplo, en (EN 1992-1-1 o ACI 318-19), y se utiliza en la práctica cotidiana de la ingeniería estructural. Sin embargo, no siempre se conoce o se respeta que el procedimiento solo es aceptable en zonas donde se aplica la hipótesis de Bernoulli-Navier de distribución plana de deformaciones (denominadas regiones B). Los lugares donde esta hipótesis no se aplica se denominan regiones de discontinuidad o perturbadas (regiones D). En la (Fig. 1) se muestran ejemplos de regiones B y D de elementos 1D. Estas son, por ejemplo, zonas de apoyo, partes donde se aplican cargas concentradas, ubicaciones donde se produce un cambio brusco en la sección transversal, aberturas, etc. Al diseñar estructuras de hormigón, encontramos muchas otras regiones D, como muros, diafragmas de puentes, ménsulas, etc.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1\qquad Discontinuity regions (Navrátil et al. 2017)}}}\]
En el pasado, se utilizaban reglas de diseño semiempíricas para dimensionar las regiones de discontinuidad. Afortunadamente, estas reglas han sido ampliamente superadas en las últimas décadas por los modelos de biela-tirante (Schlaich et al., 1987) y los campos de tensiones (Marti 1985), que están incluidos en los códigos de diseño actuales y son utilizados frecuentemente por los proyectistas hoy en día. Estos modelos son herramientas mecánicamente consistentes y potentes. Cabe señalar que los campos de tensiones pueden ser generalmente continuos o discontinuos, y que los modelos de biela-tirante son un caso especial de campos de tensiones discontinuos.
A pesar de la evolución de las herramientas computacionales en las últimas décadas, los modelos de Biela-y-tirante se siguen utilizando esencialmente como cálculos manuales. Su aplicación para estructuras reales es tediosa y consume mucho tiempo, ya que se requieren iteraciones y es necesario considerar varios casos de carga. Además, este método no es adecuado para verificar criterios de servicio (deformaciones, anchos de fisura, etc.).
El interés de los ingenieros estructurales en una herramienta fiable y rápida para diseñar regiones D llevó a la decisión de desarrollar el nuevo Método del Campo de Tensiones Compatible, un método para el diseño asistido por ordenador de campos de tensiones que permite el diseño y la evaluación automática de elementos de hormigón estructural sometidos a cargas en su plano.
El Método del Campo de Tensiones Compatible (CSFM) es un método continuo de análisis de campos de tensiones basado en elementos finitos, en el que las soluciones clásicas de campos de tensiones se complementan con consideraciones cinemáticas, es decir, se evalúa el estado de deformación en toda la estructura. Por lo tanto, la resistencia a compresión efectiva del hormigón puede calcularse automáticamente en función del estado de deformación transversal, de manera similar a los análisis de campos de compresión que tienen en cuenta el ablandamiento a compresión (Vecchio y Collins 1986; Kaufmann y Marti 1998) y el método EPSF (Fernández Ruiz y Muttoni 2007). Además, el CSFM considera la rigidización a tracción, proporcionando rigideces realistas a los elementos, y cubre todas las prescripciones de los códigos de diseño (incluidos los aspectos de servicio y capacidad de deformación) que los enfoques anteriores no abordaban de forma consistente. El CSFM utiliza leyes constitutivas uniaxiales comunes proporcionadas por las normativas de diseño para el hormigón y la armadura. Estas son conocidas en la fase de diseño, lo que permite utilizar el método de los coeficientes parciales de seguridad. Por lo tanto, los proyectistas no tienen que proporcionar propiedades de material adicionales, a menudo arbitrarias, como las que típicamente se requieren para los análisis no lineales de elementos finitos, lo que hace que el método sea perfectamente adecuado para la práctica de la ingeniería.
Para fomentar el uso de campos de tensiones asistidos por ordenador por parte de los ingenieros estructurales, estos métodos deben implementarse en entornos de software fáciles de usar. Con este fin, el CSFM ha sido implementado en IDEA StatiCa Detail; un nuevo software comercial fácil de usar desarrollado conjuntamente por la ETH Zúrich y la empresa de software IDEA StatiCa en el marco del proyecto DR-Design Eurostars-10571.