1.1 Ogólne wprowadzenie do projektowania konstrukcyjnego szczegółów betonowych
Projektowanie i ocena elementów betonowych są zazwyczaj przeprowadzane na poziomie przekrojowym (element 1D) lub punktowym (element 2D). Procedura ta jest opisana we wszystkich normach projektowania konstrukcji, np. w EN 1992-1-1 lub ACI 318-19, i jest stosowana w codziennej praktyce inżynierskiej. Nie zawsze jest jednak znane lub respektowane, że procedura ta jest dopuszczalna jedynie w obszarach, gdzie obowiązuje hipoteza Bernoulliego-Naviera o płaskim rozkładzie odkształceń (zwanych obszarami B). Miejsca, w których hipoteza ta nie obowiązuje, nazywane są obszarami nieciągłości lub zaburzonymi (strefy nieciągłości – D-Regions). Przykłady obszarów B i D dla elementów 1D przedstawiono na (Rys. 1). Są to m.in. strefy podporowe, miejsca przyłożenia sił skupionych, lokalizacje nagłych zmian przekroju poprzecznego, otwory itp. Przy projektowaniu konstrukcji betonowych napotykamy wiele innych stref nieciągłości, takich jak ściany, tarcze mostowe, wsporniki itp.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1\qquad Discontinuity regions (Navrátil et al. 2017)}}}\]
W przeszłości do wymiarowania stref nieciągłości stosowano półempiryczne reguły projektowania. Na szczęście reguły te zostały w dużej mierze zastąpione w ostatnich dziesięcioleciach przez modele Strut-and-tie (Schlaich i in., 1987) oraz pola naprężeń (Marti 1985), które są uwzględnione w aktualnych normach projektowania i powszechnie stosowane przez projektantów. Modele te są mechanicznie spójnymi i skutecznymi narzędziami. Należy zauważyć, że pola naprężeń mogą być ogólnie ciągłe lub nieciągłe, a modele Strut-and-tie stanowią szczególny przypadek nieciągłych pól naprężeń.
Pomimo rozwoju narzędzi obliczeniowych w ostatnich dziesięcioleciach, modele Strut-and-Tie są w zasadzie nadal stosowane jako obliczenia ręczne. Ich zastosowanie do rzeczywistych konstrukcji jest żmudne i czasochłonne, ponieważ wymagane są iteracje, a należy uwzględnić kilka przypadków obciążeń. Ponadto metoda ta nie jest odpowiednia do weryfikacji kryteriów użytkowalności (odkształcenia, szerokości rys itp.).
Zainteresowanie inżynierów konstruktorów niezawodnym i szybkim narzędziem do projektowania stref nieciągłości doprowadziło do decyzji o opracowaniu nowej Compatible Stress Field Method – metody wspomaganego komputerowo projektowania pól naprężeń, umożliwiającej automatyczne projektowanie i ocenę elementów z betonu konstrukcyjnego poddanych obciążeniom w płaszczyźnie.
Compatible Stress Field Method (CSFM) jest ciągłą metodą analizy pól naprężeń opartą na MES, w której klasyczne rozwiązania pól naprężeń są uzupełnione o rozważania kinematyczne, tj. stan odkształceń jest oceniany w całej konstrukcji. Dzięki temu efektywna wytrzymałość betonu na ściskanie może być automatycznie obliczana na podstawie stanu odkształceń poprzecznych w sposób podobny do analiz pól ściskania uwzględniających compression softening (Vecchio i Collins 1986; Kaufmann i Marti 1998) oraz metody EPSF (Fernández Ruiz i Muttoni 2007). Ponadto CSFM uwzględnia tension stiffening, zapewniając realistyczne sztywności elementów, i obejmuje wszystkie wymagania normowe (w tym aspekty użytkowalności i zdolności do odkształceń), które nie były konsekwentnie uwzględniane przez poprzednie podejścia. CSFM wykorzystuje powszechne jednoosiowe prawa konstytutywne dla betonu i zbrojenia, podane przez normy projektowania. Są one znane na etapie projektowania, co umożliwia stosowanie metody współczynników częściowych bezpieczeństwa. Projektanci nie muszą zatem podawać dodatkowych, często arbitralnych właściwości materiałowych, jakie są zazwyczaj wymagane w nieliniowych analizach MES, co sprawia, że metoda jest doskonale odpowiednia dla praktyki inżynierskiej.
Aby wspierać stosowanie wspomaganych komputerowo pól naprężeń przez inżynierów konstruktorów, metody te powinny być zaimplementowane w przyjaznych dla użytkownika środowiskach programowych. W tym celu CSFM zostało zaimplementowane w IDEA StatiCa Detail – nowym, przyjaznym dla użytkownika komercyjnym oprogramowaniu opracowanym wspólnie przez ETH Zurych i firmę programistyczną IDEA StatiCa w ramach projektu DR-Design Eurostars-10571.