Midas Civil BIM-Verknüpfung – Logik der Lastfälle und Lastkombinationen bei der Nachbearbeitung in IDEA StatiCa BIM

Dieser Erweiterungstext eignet sich für ein detailliertes Verständnis der Thematik und zur Lösung nicht standardmäßiger Situationen beim Import midas Civil – IDEA StatiCa. Dieser Artikel ist Teil einer Reihe von drei Artikeln, die das Thema des Imports von Schnittgrößen in IDEA StatiCa BIM aus midas Civil umfassend behandeln. Die anderen beiden Artikel sind die folgenden:

• Midas Civil BIM-Verknüpfung – Vorbereitung des Berechnungsmodells – Dieser Artikel definiert die Grundsätze der Arbeit mit einer BIM-Verknüpfung und insbesondere die Richtlinien zur Vorbereitung eines Berechnungsmodells in midas Civil.
• Midas Civil BIM-Verknüpfung für die Bemessung einer dreifeldrigen vorgespannten Brücke – Ein praktisches Beispiel für den Import von Ergebnissen aus dem Berechnungsmodell einer vorgespannten, dreifelderigen T-Träger-Brücke in IDEA StatiCa BIM.

1. Lastkombinationen in midas Civil

Midas Civil arbeitet mit Kombinationen vom Typ „Add" und „Envelope". Wie jedem midas-Anwender bekannt ist, werden Kombinationen als „Ebenen" behandelt. Jede Add- oder Envelope-Kombination, die in einer Ebene (N-1) definiert ist, kann verwendet werden, um eine Menge kombinierter Elemente in einer Add- oder Envelope-Kombination in Ebene N zu definieren. Auf diese Weise werden die standardmäßigen GZG- und GZT-Kombinationen schrittweise aufgebaut. Wichtig ist, dass innerhalb einer Envelope-Kombination niemals eine Summierung von Lasteffekten durchgeführt wird. Stattdessen werden die maximalen und minimalen Lasteffekte stets aus einer festgelegten Menge von Lastfällen und Lastkombinationen der vorherigen Ebene ausgewertet.

2. Lastkombinationen in IDEA StatiCa BIM

Nun beschreiben wir die grundlegende Logik der Kombination von Lastfällen in IDEA StatiCa BIM. Die BIM-App arbeitet mit vier grundlegenden Kombinationstypen:

• Eurocode (6.10)
• Eurocode (6.10 a,b)
• Envelope
• Linear

2.1. Normabhängige Kombinationen

Die normabhängigen Kombinationen verhalten sich wie die Envelope-Kombinationen (siehe unten). Die BIM-App generiert jedoch automatisch Last- und Kombinationsbeiwerte gemäß der Normbeschreibung und den entsprechenden Gleichungen. Für den Eurocode werden die Gleichungen 6.10 bzw. 6.10a,b für GZT-Kombinationen, Gleichung 6.14b für die charakteristische GZG-Kombination, Gleichung 6.15b für die häufige GZG-Kombination und Gleichung 6.16b für die quasi-ständige GZG-Kombination verwendet. Die Last- und Kombinationsbeiwerte werden jedoch innerhalb der in midas Civil definierten Kombinationen eingegeben. Daher sind normabhängige Kombinationen beim Import von Daten aus midas Civil nicht relevant. Sie dienen dem Import von Schnittgrößen aus anderen Programmen in IDEA StatiCa BIM.

2.2. Lineare Kombinationen

Eine lineare Kombination von Lastfällen ist eine einfache Summenkombination. Die Schnittgrößen der einzelnen Lastfälle in der Kombination werden arithmetisch summiert. Die lineare Kombination entspricht damit einer Add-Kombination in midas Civil.

2.3. Envelope-Kombinationen aus veränderlichen Lastfällen

Die Bedeutung der Envelope-Kombination in IDEA StatiCa BIM und der Envelope-Kombination in midas Civil unterscheidet sich bei der Arbeit mit Lastfällen jedoch erheblich. Eine Envelope-Kombination von Lastfällen in IDEA StatiCa BIM ist eine Einhüllende aus linearen Kombinationen, die auf Basis einer Kombinationsregel und der Einteilung der Lastfälle in Lastfallgruppen generiert werden. Innerhalb der Kombinations-Envelope wird zunächst eine Menge einzelner summierter linearer Kombinationen erzeugt. Anschließend werden aus dieser Menge die Maxima und Minima ausgewertet – d. h. die maximale und minimale Einhüllende.

Wie bereits erwähnt, werden in midas Civil die Schnittgrößenwerte innerhalb der Envelope-Kombination niemals addiert. Die maximalen und minimalen Werte werden stets direkt aus den Lastfällen und Kombinationen ausgewertet. Werden Envelopes und Lastfallgruppen in IDEA StatiCa BIM jedoch korrekt verwendet, verhalten sie sich genauso wie Envelopes in midas Civil. Dies wird später ausführlich erläutert.

Zunächst soll die Funktion der Envelope-Kombination in der BIM-App anhand eines Beispiels veranschaulicht werden. Zuvor muss jedoch das Konzept einer Lastfallgruppe erläutert werden. Für die Erstellung von Envelope-Kombinationen in IDEA StatiCa BIM werden einzelne Lastfälle in sogenannte Lastfallgruppen eingeteilt. Jede Lastfallgruppe und damit alle darin enthaltenen Lastfälle besitzen einen wichtigen Parameter namens Typ. Der Typ einer Lastfallgruppe definiert die Beziehungen zwischen den Lastfällen und bestimmt damit, was in den summierten linearen Kombinationen (die dann die Einhüllende bilden) miteinander kombiniert wird und was nicht.

 IDEA StatiCa BIM unterscheidet sieben Gruppen:

• Permanent
• Standard
• Exclusive
• Fatigue, exclusive
• Accidental, standard
• Accidental, exclusive
• Seismic, exclusive.

Für die Zwecke dieses Artikels werden nur die ersten drei Gruppen behandelt.

Gruppe vom Typ „Permanent"

Die Werte aus den ständigen Lastfällen werden stets in die lineare Kombination einbezogen und sind daher in jeder der linearen Kombinationen enthalten.

Gruppe vom Typ „Standard"

Lastfälle aus der Gruppe vom Typ „Standard" können in den einzelnen linearen Teilkombinationen (aus denen die Einhüllende ausgewertet wird) einzeln, alle gleichzeitig oder nur als Teilmenge auftreten. Alle möglichen Varianten des „gemeinsamen Auftretens" von Lastfällen werden automatisch generiert.

Beispiel Nr. 1: Einhüllende aus veränderlichen Lastfällen vom Typ „Standard"

Es werden zwei Lastfälle des veränderlichen Lasttyps betrachtet, die in die Lastfallgruppe vom Typ „Standard" eingeordnet sind. Die nachstehende Tabelle zeigt die verschiedenen linearen Kombinationen. Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, besteht die Einhüllende im Fall des Typs „Standard" aus vier linearen Teilkombinationen.

Gruppe vom Typ „Exclusive"

Bei Lastfällen der Gruppe vom Typ „Exclusive" wird in jeder linearen Kombination nur ein Lastfall aus der Gruppe verwendet.

Beispiel Nr. 2: Einhüllende aus veränderlichen Lastfällen vom Typ „Exclusive"

Es werden zwei Lastfälle des veränderlichen Lasttyps betrachtet, die in dieselbe Lastfallgruppe vom Typ „Exclusive" eingeordnet sind. Die nachstehende Tabelle zeigt die einzelnen linearen Kombinationen. Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, enthält die Einhüllende im Fall der Gruppe vom Typ „Exclusive" drei lineare Teilkombinationen.

Bei Anwendung der Envelope-Kombination auf die Lastfälle der Gruppe vom Typ „Exclusive" enthält jede der linearen Teilkombinationen nur einen Lastfall, und es wird automatisch eine zusätzliche leere Nullkombination hinzugefügt (darauf wird später eingegangen). Aus der Perspektive des midas Civil- Anwenders ist es entscheidend festzuhalten, dass die Anwendung der Envelope-Kombination auf die Lastfallgruppe vom Typ „Exclusive" zum gleichen Ergebnis führt wie die Anwendung der Envelope-Kombination auf die identische Lastfallgruppe in midas Civil. Obwohl die Kombinationslogik leicht unterschiedlich ist, werden durch die korrekte Einrichtung der Kombinationen in IDEA StatiCa BIM identische Ergebnisse wie in der midas Civil-Quelldatei erzielt.

Der Vollständigkeit halber sei auch darauf hingewiesen, dass die Envelope-Kombination aus zwei verschiedenen Gruppen vom Typ „Exclusive" nicht genauso funktioniert wie die Envelope-Kombination in midas Civil, da in den linearen Teilkombinationen nur ein Zustand aus der ersten Gruppe vom Typ „Exclusive" und einer aus der zweiten gleichzeitig auftreten kann. Daher muss innerhalb einer einzelnen Envelope-Kombination sichergestellt werden, dass alle veränderlichen Lastfälle in einer einzigen Gruppe vom Typ „Exclusive" enthalten sind.

2.4. Envelope-Kombinationen aus einer gemischten Menge ständiger und veränderlicher Lastfälle 

In der IDEA StatiCa BIM-Software werden ständige Lastfälle in der Envelope-Kombination stets zur Einhüllenden aus den veränderlichen Lastfällen addiert. Die BIM-App implementiert diese Logik, um die Kompatibilität mit anderen Programmen wie Scia Engineer sicherzustellen.

Im Gegensatz dazu funktioniert die Envelope-Kombination in midas Civil stets als „reine Einhüllende" (mathematische Auswertung von Maximum und Minimum; es wird nichts addiert) aus der Menge der Lastfälle, unabhängig davon, ob die enthaltenen Lastfälle ständig oder veränderlich sind. Daher liefert die Envelope-Kombination derselben gemischten Lastfallmenge in midas Civil andere Ergebnisse als in IDEA StatiCa BIM. Dies wird anhand eines Beispiels erläutert.

Beispiel Nr. 3: Einhüllende aus veränderlichen und ständigen Lastfällen in einer Kombination 

Betrachten wir nun drei Lastfälle. Die Lastfälle sind zwei Gruppen zugeordnet. Die erste Gruppe ist vom Typ „Permanent" und enthält den Lastfall LC 1. Die anderen beiden Lastfälle, LC 2 und LC 3, sind veränderlich und der zweiten Lastfallgruppe zugeordnet, entweder vom Typ „Standard" oder „Exclusive". Die nachstehenden Tabellen zeigen erneut die einzelnen linearen Kombinationen dieser Lastfälle in der BIM-App, abhängig vom der zweiten Gruppe der veränderlichen Lastfälle zugewiesenen Typ.

Aus der Tabelle geht klar hervor, dass der ständige Lastfall in jede lineare (summierte) Teilkombination einbezogen wird, aus der anschließend die Einhüllende ausgewertet wird. Daraus ergibt sich die Regel für die Erstellung von Kombinationen in midas Civil – verwenden Sie keine Envelope-Kombinationen für eine Menge von Lastfällen, in der sowohl ständige als auch veränderliche Lastfälle vorhanden sind oder nur ständige Lastfälle! Diese Regel lässt sich leicht einhalten, und es gilt erneut, dass die Ergebnisse bei korrekter Vorbereitung des Berechnungsmodells in midas Civil identisch sind.

2.5. Envelope-Kombinationen aus Lastfällen mit gleichem Vorzeichen

Ein weiterer Unterschied zwischen midas Civil und der BIM-App ergibt sich bei der Auswertung der Einhüllenden aus einer Menge veränderlicher Lastfälle mit gleichem Vorzeichen der Schnittgrößen. Das bedeutet, dass die Schnittgrößen der einzelnen Lastfälle in einem bestimmten Querschnitt stets dasselbe Vorzeichen aufweisen. Natürlich kann sich das Vorzeichen entlang der Länge der Struktur ändern.

Betrachten wir beispielsweise eine Gruppe von drei Lastfällen in derselben Gruppe vom Typ „Exclusive", die in einem gegebenen Querschnitt folgende Momentenwerte aufweisen: {20 kNm, 30 kNm, 40 kNm}. Die BIM-App wertet dann das maximale Moment als 40 kNm und das minimale Moment als null aus. Dies liegt daran, dass – wie zuvor gezeigt – bei der Auswertung der Envelope-Kombination veränderlicher Lasten eine zusätzliche „leere" Nullkombination einbezogen wird, die den Zustand repräsentiert, bei dem keine veränderliche Last auf die Struktur wirkt.

Midas Civil hingegen folgt bei der Auswertung der Envelope-Kombination streng der mathematischen Logik und wertet das Minimum als 20 kNm und das Maximum als 40 kNm aus. Mit anderen Worten: Die Berücksichtigung, dass kein Lastfall auf die Struktur wirken muss, obliegt dem Anwender, der dies leicht durch Hinzufügen eines Null-(Leer-)Lastfalls zur Envelope-Kombination erreichen kann. Dann sind die Ergebnisse der Envelope-Kombination in IDEA StatiCa BIM und midas Civil identisch. Dies ist natürlich ein seltener Fall, da die meisten Envelope-Kombinationen veränderlicher Lasten in der Brückenanalyse aus Lastfällen mit unterschiedlichen Vorzeichen der Schnittgrößen in den einzelnen Querschnitten bestehen (z. B. Wind_Y+; Wind_Y-). In diesen Fällen sind die Envelope-Kombinationen in IDEA StatiCa BIM und midas Civil identisch, und das Hinzufügen eines Null-Lastfalls zur Kombination in midas Civil ist nicht erforderlich. Auf Basis des Vorstehenden gilt folgende Regel: Wenn einzelne Lastfälle in der Envelope-Kombination in midas Civil ausschließlich Kräfte mit gleichem Vorzeichen liefern, ist es erforderlich, einen Null-Lastfall zur Envelope-Kombination hinzuzufügen.

2.6. Lineare und Envelope-Kombinationen aus Kombinationen und Lastfällen

Die BIM-App übernimmt die Kombinationsregeln aus midas Civil und muss daher auch lineare und Envelope-Kombinationen durchführen, wie zuvor definiert (eine Ebene tiefer), genau wie midas Civil. Im Gegensatz zur Arbeit mit Lastfällen ist die Logik der linearen und Envelope-Kombinationen bei der Arbeit mit Kombinationen nun identisch mit den Add- und Envelope-Kombinationen in midas Civil. Das bedeutet, dass die BIM-App bei Einhüllenden aus Kombinationen die Einhüllende stets rein mathematisch auswertet (maximale und minimale Lasteffekte). Eine Unterscheidung zwischen Standard- oder Exclusive-Typ-Gruppen für Einhüllende entfällt.

Basierend auf Kapitel 2.4 könnte sich der Leser fragen, wie eine aus midas Civil übertragene Envelope-Kombination in der BIM-App ausgewertet wird, wenn sie aus einer gemischten Menge von Elementen besteht, d. h. aus Lastfällen und Kombinationen. Dies wird erneut anhand eines Beispiels erläutert.

Beispiel Nr. 4: Einhüllende aus Kombinationen und Lastfallmenge

Betrachten wir drei Lastfälle, LC 1, LC 2 und LC 3, die vom gleichen Typ sind und daher alle in einer Exclusive-Lastgruppe in der BIM-App enthalten sind. Zusätzlich betrachten wir eine Add-Kombination C1 in midas Civil. In midas Civil wird dann eine Envelope-Kombination C2_env aus der Gruppe {C1; LC1; LC2; LC3} definiert. Die Envelope-Kombination C2_env wird in der BIM-App dann rein als Einhüllende ausgewertet, d. h.:

• maxC2 = max{C1; LC1; LC2; LC3} 
• minC2 = min{C1; LC1; LC2; LC3}

Es erfolgt keine Addition von Elementen, wie in Kapitel 2.4 beschrieben, wo die Einhüllenden-Menge aus einer Exclusive-Lastgruppe und einem ständigen Lastfall besteht.

Analysieren wir nun einen weiteren häufigen Fall der Arbeit mit ständigen Lasten und Einhüllenden, der in der Brückenanalyse häufig vorkommt und aufgrund der Besonderheiten der Behandlung ständiger Lasten in Envelope-Kombinationen in der BIM-App Fragen aufwerfen kann. Das Beispiel betrifft die Berücksichtigung des unteren und oberen Wertes der ständigen Last, wobei beispielsweise der Beiwert für den unteren Wert 1,0 und für den oberen Wert der Lastbeiwert größer als 1,0 ist (typischerweise 1,35 oder 0,85 × 1,35 = 1,15).

Beispiel Nr. 5: Berücksichtigung der Einhüllenden für den oberen und unteren Wert der ständigen Last

Betrachten wir in midas Civil einen Lastfall für die Eigenlast, eine thermische Envelope-Kombination Temp_env und eine Verkehrslast-Einhüllende MVL. Gemäß der Bemessungsnorm (Eurocode) sind zwei Lastkombinationen für den Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZT) zu berücksichtigen:

•     1,0×Eigenlast + 0,9×Temp_env + 1,35×MVL
•   1,35×Eigenlast + 0,9×Temp_env + 1,35×MVL 

Es gibt zwei korrekte Möglichkeiten, die Kombinationen so einzurichten, dass die Ergebnisse in midas Civil und IDEA StatiCa BIM übereinstimmen.

Die erste Möglichkeit besteht darin, zwei separate Add-Kombinationen in midas Civil zu erstellen, die als lineare Kombinationen in die BIM-App übertragen werden und damit die in Abschnitt 2.4 beschriebenen Probleme vermeiden.

Der Nachteil der oben genannten Lösung besteht darin, dass sie zu einer Verdopplung der Anzahl der GZT-Add-Kombinationen in midas Civil führt – einmal mit dem Faktor 1,0 und einmal mit 1,35. Daher gehen Anwender häufig so vor, dass sie eine Envelope-Kombination für die Eigenlast erstellen. Zur korrekten Konstruktion der Einhüllenden werden „Hilfs"-Add-Kombinationen verwendet, und die Kombinationsregeln lauten wie folgt:

• Add-Kombination Dead_1.0 – Lastfall Eigenlast, Faktor 1,0
• Add-Kombination Dead_1.35 – Lastfall Eigenlast, Faktor 1,35
• Envelope-Kombination Dead_env – zwei Elemente: {Dead_1.0; Dead_1.35}

Für Kombination Nr. 3 wird eine Einhüllende aus Kombinationen verwendet, sodass sie in IDEA StatiCa BIM korrekt als Max/Min-Einhüllende ausgewertet wird – im Gegensatz zur Situation, in der eine Einhüllende aus zwei ständigen Lastfällen erstellt würde, die in der BIM-App-Envelope-Kombination summiert würden. Die Dead_env wird dann in einer Add-Kombination in midas Civil verwendet, sodass die Anzahl der GZT-Kombinationen im Vergleich zur ersten Lösung halbiert wird.

 3. Arbeit mit Lastfällen des ständigen Typs aus der Bauphasenanalyse

Wie oben beschrieben, besteht die Besonderheit der Arbeit mit Lastfällen des ständigen Typs in der BIM-App darin, dass sie stets arithmetisch summiert werden, auch in der Envelope-Kombination. Ein weiteres Problem bei der Verarbeitung ständiger Lastfälle kann auftreten, wenn in midas Civil eine Bauphasenanalyse verwendet wird. Dies wird im folgenden Abschnitt erläutert.

Die Analyse einer vorgespannten Brücke in midas Civil wird beispielsweise in zwei Schritten durchgeführt:

• Bauphase – Bauphasenanalyse einschließlich Vorspannung und rheologischer Effekte.
• Nachbauphase (Post CS oder Completed stage) – statische Analyse veränderlicher Lasten (Temperatur, Wind, Verkehr, Setzung usw.) am Finite-Elemente-Modell der fertiggestellten Struktur.

Die folgenden Lastfälle sind Ergebnisse der Bauphasenanalyse:

• Eigenlast
• Montagelast
• Tendon Primary
• Tendon Secondary
• Creep Secondary
• Shrinkage Secondary

Beispielsweise sind ständige Lasten nur in einem Lastfall enthalten, der Eigenlast, die die kumulierten ständigen Lasten aus allen Phasen am Ende der Konstruktion – der Endphase – repräsentiert. Nach dem Import in IDEA StatiCa BIM wird der kumulative Eigenlaststatus hingegen in inkrementelle Fälle entsprechend den Bauphasen aufgeteilt – einen für den Beginn und einen für das Ende jeder Phase. Dies geschieht, damit die BIM-App die stufenweise Berechnung der Struktur „nachbilden" und beispielsweise das Vorspannverfahren und den anfänglichen Querschnittszustand für den IDEA StatiCa RCS-Normnachweis korrekt einrichten kann. Die einzelnen inkrementellen Fälle in IDEA StatiCa BIM werden als DL<Phasenname>[F] für den Beginn (First step) der Phase und DL<Phasenname>[L] für das Ende (Last step) bezeichnet. Alle diese Fälle sind in einer Lastfallgruppe namens „Eigenlast" zusammengefasst, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Ebenso werden andere Lastfälle (Tendon Primary, Tendon Secondary usw.) in IDEA StatiCa BIM aufgeteilt und nach dem Import den entsprechenden Lastfallgruppen zugeordnet. Alle diese Gruppen, die die Ergebnisse der Bauphasenanalyse repräsentieren, sind vom Typ „Permanent". Die einzelnen Fälle in der BIM-App werden automatisch den importierten Kombinationen aus midas Civil zugeordnet. Wo beispielsweise in einer midas Civil-Kombination ein kumulierter Eigenlaststfall mit dem Faktor 1,35 verwendet wurde, wird dieser in IDEA StatiCa BIM automatisch durch die gesamte Gruppe der einzelnen Fälle DL<Phasenname>[F] und DL<Phasenname>[L] ersetzt, alle mit dem Faktor 1,35.

Ein Problem entsteht jedoch, wenn einem Lastfall aus der PostCS-Analyse (veränderliche Lasten – Temperatur, Wind usw.) nach dem Import in die BIM-App fälschlicherweise der Typ „Permanent" zugewiesen wird. Diese Situation tritt am häufigsten auf, wenn für einen PostCS-Lastfall in midas Civil fälschlicherweise der Typ „Dead load" oder „USER" eingestellt ist. IDEA StatiCa BIM behandelt diese ständigen Lastfälle dann als Ergebnisse der Bauphasenanalyse und versucht, sie in Kombinationen zu „finden", die einzelne Schritte der stufenweisen Konstruktion repräsentieren. Da sie dort nicht vorhanden sind, weiß IDEA StatiCa BIM nicht, wo sie einzuordnen sind, und erzeugt beim Durchführen eines Querschnittsnachweises eine Fehlermeldung: „Die Kombination ist für den Querschnittsbemessung nicht anwendbar, da die in dieser Kombination enthaltenen ständigen Lastfälle nicht mit den in den Bauphasen definierten ständigen Lastfällen übereinstimmen."

Diese Fehler lassen sich leicht vermeiden, indem die Typen für einzelne Lastfälle in midas Civil korrekt eingestellt werden. Das bedeutet, dass ständige Lastfälle (Permanent load case) nur für die Bauphasenanalyse verwendet werden sollten und veränderliche Lastfälle (Transient load case) für die Post-CS-Analyse. Nach dem Export in IDEA StatiCa BIM ist der Typ „Permanent" dann ausschließlich den Ergebnissen der stufenweisen Konstruktion vorbehalten, und die oben beschriebenen Probleme treten nicht auf.