Introduzione generale per la progettazione strutturale di dettagli in calcestruzzo
La progettazione e la valutazione degli elementi in calcestruzzo vengono normalmente eseguite a livello di sezione (elemento 1D) o puntuale (elemento 2D). Questa procedura è descritta in tutte le norme per la progettazione strutturale, ad esempio in (EN 1992-1-1 o ACI 318-19), ed è utilizzata nella pratica quotidiana dell'ingegneria strutturale. Tuttavia, non è sempre noto o rispettato che la procedura è accettabile solo nelle aree in cui si applica l'ipotesi di Bernoulli-Navier della distribuzione piana delle deformazioni (le cosiddette regioni B). I luoghi in cui questa ipotesi non è applicabile sono chiamati regioni di discontinuità o disturbate (D-Regions). Esempi di regioni B e D di elementi 1D sono forniti in (Fig. 1). Si tratta, ad esempio, di aree portanti, parti in cui vengono applicati carichi concentrati, luoghi in cui si verifica un brusco cambiamento nella sezione trasversale, aperture, ecc. Quando progettiamo strutture in calcestruzzo, incontriamo molte altre regioni D come muri, ponti diaframmi, mensole, ecc.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1\qquad Discontinuity regions (Navrátil et al. 2017)}}}\]
In passato, per il dimensionamento delle regioni di discontinuità si utilizzavano regole di progettazione semi-empiriche. Fortunatamente, negli ultimi decenni queste regole sono state ampiamente superate dai modelli tirante-puntone (Schlaich et al., 1987) e dai campi di sollecitazione (Marti 1985), che sono presenti negli attuali codici di progettazione e che oggi sono frequentemente utilizzati dai progettisti. Questi modelli sono strumenti meccanicamente coerenti e potenti. Si noti che i campi di sollecitazione possono essere generalmente continui o discontinui e che i modelli tirante-puntone sono un caso particolare di campi di sollecitazione discontinui.
Nonostante l'evoluzione degli strumenti di calcolo negli ultimi decenni, i modelli Strut-and-Tie sono essenzialmente ancora utilizzati come calcoli manuali. La loro applicazione a strutture reali è noiosa e richiede molto tempo, poiché sono necessarie iterazioni e si devono considerare diversi casi di carico. Inoltre, questo metodo non è adatto per la verifica dei criteri di esercizio (deformazioni, ampiezza delle fessure, ecc.).
L'interesse degli ingegneri strutturali per uno strumento affidabile e veloce per la progettazione delle regioni D ha portato alla decisione di sviluppare il nuovo Compatible Stress Field Method, un metodo per la progettazione assistita da computer dei campi di sollecitazione che consente di progettare e valutare automaticamente le membrature strutturali in calcestruzzo soggette a carichi nel piano.
Il Compatible Stress Field Method (CSFM) è un metodo di analisi del campo di sollecitazione continuo basato sugli elementi finiti, in cui le soluzioni classiche del campo di sollecitazione sono integrate da considerazioni cinematiche, cioè lo stato di deformazione è valutato in tutta la struttura. Pertanto, la resistenza effettiva a compressione del calcestruzzo può essere calcolata automaticamente in base allo stato di deformazione trasversale, in modo simile a quanto avviene nelle analisi in campo di compressione che tengono conto del compression softening (Vecchio e Collins 1986; Kaufmann e Marti 1998) e nel metodo EPSF (Fernández Ruiz e Muttoni 2007). Inoltre, il CSFM considera il tension stiffening, fornendo rigidezze realistiche agli elementi e copre tutte le prescrizioni del codice di progettazione (compresi gli aspetti di esercizio e capacità di deformazione) non affrontate in modo coerente dagli approcci precedenti. Il CSFM utilizza leggi costitutive uniassiali comuni fornite dalle norme di progettazione per il calcestruzzo e le armature. Queste sono note in fase di progettazione, il che consente di utilizzare il metodo del coefficiente di sicurezza parziale. In questo modo, i progettisti non devono fornire ulteriori proprietà dei materiali, spesso arbitrarie, come invece è richiesto dalle analisi FE non lineari, rendendo il metodo perfettamente adatto alla pratica ingegneristica.
Per promuovere l'uso dei campi di sollecitazione assistiti dal computer da parte degli ingegneri strutturali, questi metodi dovrebbero essere implementati in ambienti software di facile utilizzo. A tal fine, il CSFM è stato implementato in IDEA StatiCa Detail, un nuovo software commerciale di facile utilizzo sviluppato congiuntamente dal Politecnico di Zurigo e dalla società di software IDEA StatiCa nell'ambito del progetto DR-Design Eurostars-10571.