Het ontwerp en de toetsing van betonelementen worden normaal gesproken uitgevoerd op doorsnede- (1D-element) of puntniveau (2D-element). Deze werkwijze is beschreven in alle normen voor constructief ontwerp, bijv. in (EN 1992-1-1 of ACI 318-19), en wordt dagelijks toegepast in de constructiepraktijk. Het is echter niet altijd bekend of in acht genomen dat deze werkwijze alleen toelaatbaar is in gebieden waar de hypothese van Bernoulli-Navier voor een vlakke rekverdeling geldt (B-gebieden genoemd). De plaatsen waar deze hypothese niet geldt, worden discontinuïteitsgebieden of verstoorde gebieden genoemd (D-gebieden). Voorbeelden van B- en D-gebieden van 1D-elementen zijn weergegeven in (Fig. 1). Dit zijn bijv. opleggebieden, delen waar geconcentreerde belastingen worden aangebracht, locaties met een plotselinge verandering van de doorsnede, openingen, enz. Bij het ontwerpen van betonconstructies komen we veel andere D-gebieden tegen, zoals wanden, brugdiafragma's, consoles, enz.
In het verleden werden semi-empirische ontwerpregels gebruikt voor het dimensioneren van discontinuïteitsgebieden. Gelukkig zijn deze regels de afgelopen decennia grotendeels vervangen door staafwerkmodellen (Schlaich et al., 1987) en spanningsvelden (Marti 1985), die zijn opgenomen in de huidige normen en tegenwoordig vaak door ontwerpers worden gebruikt. Deze modellen zijn mechanisch consistent en krachtige hulpmiddelen. Houd er rekening mee dat spanningsvelden in het algemeen continu of discontinu kunnen zijn en dat staafwerkmodellen een speciaal geval van discontinue spanningsvelden zijn.
Ondanks de evolutie van rekentools in de afgelopen decennia worden staafwerkmodellen in wezen nog steeds als handberekeningen gebruikt. Toepassing ervan op reële constructies is omslachtig en tijdrovend, omdat iteraties nodig zijn en meerdere belastingsgevallen moeten worden beschouwd. Bovendien is deze methode niet geschikt voor het toetsen van bruikbaarheidscriteria (vervormingen, scheurwijdten, enz.).
De interesse van constructeurs in een betrouwbare en snelle tool voor het ontwerpen van D-gebieden leidde tot het besluit om de nieuwe Compatible Stress Field Method te ontwikkelen, een methode voor computerondersteund ontwerpen met spanningsvelden die het automatisch ontwerpen en toetsen mogelijk maakt van constructieve betonstaven die worden belast in het vlak.
De Compatible Stress Field Method (CSFM) is een continue, op de Eindige Elementen Methode gebaseerde analysemethode voor spanningsvelden, waarin klassieke spanningsveldoplossingen worden aangevuld met kinematische beschouwingen, d.w.z. de rektoestand wordt over de gehele constructie bepaald. Hierdoor kan de effectieve druksterkte van beton automatisch worden berekend op basis van de rektoestand in dwarsrichting, op een vergelijkbare wijze als bij drukveldanalyses die rekening houden met compression softening (Vecchio en Collins 1986; Kaufmann en Marti 1998) en de EPSF-methode (Fernández Ruiz en Muttoni 2007). Bovendien houdt de CSFM rekening met tension stiffening, waardoor de elementen realistische stijfheden krijgen, en dekt zij alle normvoorschriften (inclusief aspecten van bruikbaarheid en vervormingscapaciteit) die in eerdere benaderingen niet consistent werden behandeld. De CSFM gebruikt gangbare uniaxiale constitutieve relaties uit de normen voor beton en wapening. Deze zijn bekend in de ontwerpfase, waardoor de partiëlefactorenmethode kan worden toegepast. Ontwerpers hoeven dus geen aanvullende, vaak willekeurige materiaaleigenschappen op te geven, zoals doorgaans vereist is voor niet-lineaire EEM-analyses, waardoor de methode uitermate geschikt is voor de praktijk.
Om het gebruik van computerondersteunde spanningsvelden door constructeurs te bevorderen, moeten deze methoden worden geïmplementeerd in gebruiksvriendelijke softwareomgevingen. Hiertoe is de CSFM geïmplementeerd in IDEA StatiCa Detail; een nieuwe, gebruiksvriendelijke commerciële software, gezamenlijk ontwikkeld door ETH Zürich en het softwarebedrijf IDEA StatiCa in het kader van het DR-Design Eurostars-10571-project.
