Die Bemessung und Bewertung von Betonbauteilen erfolgt üblicherweise auf Querschnittsebene (1D-Elemente) oder auf Punktebene (2D-Elemente). Dieses Verfahren ist in allen Normen für die tragwerksbezogene Bemessung beschrieben, z. B. in (EN 1992-1-1 oder ACI 318-19), und wird in der täglichen Ingenieurpraxis angewendet. Es ist jedoch nicht immer bekannt oder wird nicht immer beachtet, dass das Verfahren nur in Bereichen zulässig ist, in denen die Bernoulli-Navier-Hypothese der ebenen Dehnungsverteilung gilt (sogenannte B-Bereiche). Die Stellen, an denen diese Hypothese nicht gilt, werden als Diskontinuitätsbereiche oder gestörte Bereiche (D-Bereiche) bezeichnet. Beispiele für B- und D-Bereiche von 1D-Elementen zeigt (Abb. 1). Dazu gehören z. B. Auflagerbereiche, Bereiche mit Einleitung von Einzellasten, Stellen mit abrupter Querschnittsänderung, Öffnungen usw. Bei der Bemessung von Betonstrukturen treffen wir auf viele weitere D-Bereiche, wie Wände, Brückenquerträger, Konsolen usw.
In der Vergangenheit wurden für die Dimensionierung von Diskontinuitätsbereichen semiempirische Bemessungsregeln verwendet. Glücklicherweise wurden diese Regeln in den letzten Jahrzehnten weitgehend durch Strebe-und-Zugband-Modelle (Schlaich et al., 1987) und Spannungsfelder (Marti 1985) abgelöst, die in den aktuellen Bemessungsnormen enthalten sind und heute häufig von Planern verwendet werden. Diese Modelle sind mechanisch konsistente und leistungsfähige Werkzeuge. Zu beachten ist, dass Spannungsfelder grundsätzlich kontinuierlich oder diskontinuierlich sein können und dass Strebe-und-Zugband-Modelle einen Sonderfall diskontinuierlicher Spannungsfelder darstellen.
Trotz der Weiterentwicklung der Berechnungswerkzeuge in den letzten Jahrzehnten werden Strebe-und-Zugband-Modelle im Wesentlichen nach wie vor als Handrechnungen angewendet. Ihre Anwendung auf reale Strukturen ist mühsam und zeitaufwendig, da Iterationen erforderlich sind und mehrere Lastfälle berücksichtigt werden müssen. Außerdem ist diese Methode nicht geeignet, um Kriterien der Gebrauchstauglichkeit (Verformungen, Rissbreiten usw.) nachzuweisen.
Das Interesse von Tragwerksplanern an einem zuverlässigen und schnellen Werkzeug für die Bemessung von D-Bereichen führte zu der Entscheidung, das neue Kompatible Spannungsfeldverfahren zu entwickeln. Es handelt sich dabei um ein Verfahren zur computergestützten Bemessung mit Spannungsfeldern, das die automatische Bemessung und Bewertung von Betonbauteilen unter Scheibenbeanspruchung ermöglicht.
Das Kompatible Spannungsfeldverfahren (CSFM) ist ein kontinuierliches, FE-basiertes Verfahren zur Spannungsfeldanalyse, bei dem klassische Spannungsfeldlösungen durch kinematische Betrachtungen ergänzt werden, d. h., der Dehnungszustand wird in der gesamten Struktur ermittelt. Dadurch kann die wirksame Druckfestigkeit des Betons automatisch auf Grundlage des Querdehnungszustands berechnet werden, ähnlich wie bei Druckfeldanalysen, die die Druckerweichung berücksichtigen (Vecchio und Collins 1986; Kaufmann und Marti 1998), sowie beim EPSF-Verfahren (Fernández Ruiz und Muttoni 2007). Darüber hinaus berücksichtigt das CSFM die Zugverfestigung, wodurch den Elementen realistische Steifigkeiten zugewiesen werden, und deckt alle Normvorgaben ab (einschließlich der Aspekte der Gebrauchstauglichkeit und der Verformungsfähigkeit), die in früheren Ansätzen nicht konsistent behandelt wurden. Das CSFM verwendet die üblichen einachsigen Werkstoffgesetze, die in den Bemessungsnormen für Beton und Bewehrung angegeben sind. Diese sind in der Bemessungsphase bekannt, sodass das Teilsicherheitsbeiwertverfahren angewendet werden kann. Somit müssen Planer keine zusätzlichen, oft willkürlichen Materialeigenschaften angeben, wie sie typischerweise für nichtlineare FE-Analysen erforderlich sind. Dadurch eignet sich das Verfahren hervorragend für die Ingenieurpraxis.
Um die Anwendung computergestützter Spannungsfelder durch Tragwerksplaner zu fördern, sollten diese Verfahren in benutzerfreundlichen Softwareumgebungen umgesetzt werden. Zu diesem Zweck wurde das CSFM in IDEA StatiCa Detail implementiert; einer neuen, benutzerfreundlichen kommerziellen Software, die gemeinsam von der ETH Zürich und dem Softwareunternehmen IDEA StatiCa im Rahmen des Projekts DR-Design Eurostars-10571 entwickelt wurde.
