El diseño y la comprobación de los elementos de hormigón se realizan normalmente a nivel de sección (elemento 1D) o de punto (elemento 2D). Este procedimiento se describe en todas las normas de diseño estructural, p. ej., en (EN 1992-1-1 o ACI 318-19), y se utiliza en la práctica diaria de la ingeniería estructural. Sin embargo, no siempre se conoce o se respeta que el procedimiento solo es aceptable en las zonas donde es válida la hipótesis de Bernoulli-Navier de distribución plana de deformaciones (denominadas regiones B). Los lugares donde esta hipótesis no es aplicable se denominan regiones de discontinuidad o regiones perturbadas (regiones D). En (Fig. 1) se muestran ejemplos de regiones B y D de elementos 1D. Se trata, por ejemplo, de zonas de apoyo, partes donde se aplican cargas concentradas, puntos donde se produce un cambio brusco de sección, aberturas, etc. Al diseñar estructuras de hormigón nos encontramos con muchas otras regiones D, como muros, diafragmas de puentes, ménsulas, etc.
En el pasado, para dimensionar las regiones de discontinuidad se utilizaban reglas de diseño semiempíricas. Afortunadamente, en las últimas décadas estas reglas han sido sustituidas en gran medida por los modelos de biela-y-tirante (Schlaich et al., 1987) y los campos de tensiones (Marti 1985), que figuran en las normas de diseño vigentes y que los proyectistas utilizan con frecuencia en la actualidad. Estos modelos son herramientas potentes y mecánicamente coherentes. Cabe señalar que los campos de tensiones pueden ser, en general, continuos o discontinuos, y que los modelos de biela-y-tirante son un caso particular de campos de tensiones discontinuos.
A pesar de la evolución de las herramientas de cálculo en las últimas décadas, los modelos de Biela-y-tirante se siguen utilizando esencialmente como cálculos manuales. Su aplicación a estructuras reales es tediosa y requiere mucho tiempo, ya que son necesarias iteraciones y se deben considerar varios casos de carga. Además, este método no es adecuado para verificar los criterios de aptitud al servicio (deformaciones, anchos de fisura, etc.).
El interés de los ingenieros estructurales por disponer de una herramienta fiable y rápida para diseñar regiones D condujo a la decisión de desarrollar el nuevo Método del Campo de Tensiones Compatible, un método de diseño de campos de tensiones asistido por ordenador que permite el diseño y la comprobación automáticos de elementos estructurales de hormigón sometidos a cargas en el plano.
El Método del Campo de Tensiones Compatible (CSFM) es un método de análisis de campos de tensiones continuos 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 tanto, la resistencia a compresión efectiva del hormigón puede calcularse automáticamente a partir 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 al método EPSF (Fernández Ruiz y Muttoni 2007). Además, el CSFM considera la rigidización a tracción, lo que proporciona rigideces realistas a los elementos, y abarca todas las prescripciones de las normas de diseño (incluidos los aspectos de aptitud al servicio y capacidad de deformación) que los enfoques anteriores no abordaban de forma coherente. El CSFM utiliza las leyes constitutivas uniaxiales habituales que proporcionan las normas de diseño para el hormigón y la armadura. Estas leyes se conocen en la fase de diseño, lo que permite utilizar el método de los coeficientes parciales de seguridad. Por consiguiente, los proyectistas no tienen que aportar propiedades adicionales de los materiales, a menudo arbitrarias, como las que suelen requerirse en los análisis de elementos finitos no lineales, 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 entre los ingenieros estructurales, estos métodos deben implementarse en entornos de software fáciles de usar. Con este fin, el CSFM se ha implementado en IDEA StatiCa Detail, un nuevo software comercial fácil de usar desarrollado conjuntamente por ETH Zurich y la empresa de software IDEA StatiCa en el marco del proyecto DR-Design Eurostars-10571.
