콘크리트 요소의 설계 및 검토는 일반적으로 단면(1D 요소) 또는 점(2D 요소) 수준에서 수행됩니다. 이 절차는 구조 설계의 모든 기준(예: EN 1992-1-1 또는 ACI 318-19)에 기술되어 있으며, 일상적인 구조 엔지니어링 실무에서 사용됩니다. 그러나 이 절차는 평면 변형률 분포에 대한 베르누이-나비에 가정이 적용되는 영역(B영역이라고 함)에서만 허용된다는 점은 항상 알려져 있거나 지켜지는 것은 아닙니다. 이 가정이 적용되지 않는 곳을 불연속 영역 또는 교란 영역(D영역(불연속 영역))이라고 합니다. 1D 요소의 B영역과 D영역의 예는 (그림 1)에 나와 있습니다. 이러한 영역에는 지압 영역, 집중 하중이 작용하는 부분, 단면이 급격하게 변하는 위치, 개구부 등이 있습니다. 콘크리트 구조를 설계할 때는 벽체, 교량 격벽, 코벨 등 그 밖의 D영역(불연속 영역)도 많이 접하게 됩니다.
과거에는 불연속 영역의 치수 결정에 반경험적 설계 규칙이 사용되었습니다. 다행히 이러한 규칙은 지난 수십 년 동안 스트럿-타이 모델(Schlaich et al., 1987)과 응력장(Marti 1985)으로 대부분 대체되었으며, 이들은 현행 설계 기준에 수록되어 있고 오늘날 설계자들이 자주 사용합니다. 이러한 모델은 역학적으로 일관되며 강력한 도구입니다. 응력장은 일반적으로 연속 또는 불연속일 수 있으며, 스트럿-타이 모델은 불연속 응력장의 특수한 경우라는 점에 유의하십시오.
지난 수십 년간 계산 도구가 발전했음에도 불구하고, 스트럿-타이 모델은 여전히 본질적으로 손계산으로 사용되고 있습니다. 실제 구조에 적용하려면 반복 계산이 필요하고 여러 하중 케이스를 고려해야 하므로 번거롭고 시간이 많이 걸립니다. 또한 이 방법은 사용성 기준(변형, 균열 폭 등)을 검증하는 데 적합하지 않습니다.
D영역(불연속 영역)을 설계하기 위한 신뢰할 수 있고 빠른 도구에 대한 구조 엔지니어의 관심은, 면내 하중을 받는 콘크리트 구조 부재의 자동 설계와 검토를 가능하게 하는 컴퓨터 기반 응력장 설계 방법인 새로운 적합 응력장 방법을 개발하는 결정으로 이어졌습니다.
적합 응력장 방법(CSFM)은 연속체 유한요소 기반의 응력장 해석 방법으로, 기존의 응력장 해법에 운동학적 고려 사항을 보완한 것입니다. 즉, 구조 전체에 걸쳐 변형률 상태를 평가합니다. 따라서 압축 연화를 고려하는 압축장 해석(Vecchio and Collins 1986; Kaufmann and Marti 1998) 및 EPSF 방법(Fernández Ruiz and Muttoni 2007)과 유사한 방식으로, 횡방향 변형률 상태에 기초하여 콘크리트의 유효 압축 강도를 자동으로 계산할 수 있습니다. 또한 CSFM은 인장 강성 효과를 고려하여 요소에 현실적인 강성을 부여하며, 이전의 접근법에서 일관되게 다루지 못한 모든 설계 기준 규정(사용성 및 변형 능력 측면 포함)을 포괄합니다. CSFM은 설계 기준에서 콘크리트와 철근에 대해 제공하는 일반적인 일축 구성 법칙을 사용합니다. 이러한 법칙은 설계 단계에서 알려져 있으므로 부분 안전계수법을 사용할 수 있습니다. 따라서 설계자는 비선형 유한요소 해석에 일반적으로 요구되는, 임의적인 경우가 많은 추가 재료 특성을 제공할 필요가 없으며, 이 방법은 엔지니어링 실무에 매우 적합합니다.
구조 엔지니어가 컴퓨터 기반 응력장을 더 많이 활용하도록 하려면, 이러한 방법을 사용자 친화적인 소프트웨어 환경에 구현해야 합니다. 이를 위해 CSFM은 IDEA StatiCa Detail에 구현되었습니다. 이 소프트웨어는 DR-Design Eurostars-10571 프로젝트의 틀 안에서 ETH Zurich와 소프트웨어 회사 IDEA StatiCa가 공동으로 개발한 새로운 사용자 친화적 상용 소프트웨어입니다.
