Midas Civil BIM link – lógica del postprocesamiento de casos de carga y combinaciones en IDEA StatiCa BIM

Este texto de extensión es adecuado para una comprensión detallada de los problemas y para resolver situaciones no estándar durante la importación de midas Civil – IDEA StatiCa. Este artículo forma parte de una serie de tres artículos que cubren de manera integral el tema de la importación de fuerzas internas en IDEA StatiCa BIM desde midas Civil. Los otros dos artículos son los siguientes:

• Midas Civil BIM link – preparación del modelo de cálculo – Este artículo define los principios de trabajo con un enlace BIM y, en particular, las directrices para preparar un modelo de cálculo en midas Civil.
• Midas Civil BIM link para el diseño de un puente postensado de tres vanos – Un ejemplo práctico de importación de resultados del modelo de cálculo de un puente de viga en T pretensado de tres vanos en IDEA StatiCa BIM.

1. Combinaciones en midas Civil

Midas Civil trabaja con combinaciones de tipo Suma y Envolvente. Como sabe todo usuario de midas, las combinaciones se tratan como "capas". Cada combinación de tipo Suma o Envolvente definida en una capa (N-1) puede utilizarse para definir un conjunto de elementos combinados en una combinación de tipo Suma o Envolvente en la capa N. Así es como se construyen en secuencia las combinaciones estándar de ELS y ELU. Es importante destacar que nunca se realiza ninguna suma de efectos de carga dentro de una combinación Envolvente. Sin embargo, los efectos de carga máximos y mínimos siempre se evalúan a partir de un conjunto especificado de casos de carga y combinaciones de carga definidas en la capa anterior.

2. Combinaciones en IDEA StatiCa BIM

Ahora, describamos la lógica básica de combinación de casos de carga en IDEA StatiCa BIM. La aplicación BIM trabaja con cuatro tipos básicos de combinaciones:

• Eurocódigo (6.10)
• Eurocódigo (6.10 a,b)
• Envolvente
• Lineal

2.1. Combinaciones dependientes del código

Las combinaciones dependientes del código se comportan igual que las combinaciones envolventes (véase más adelante). Sin embargo, la aplicación BIM genera automáticamente factores de carga y combinación según la descripción del código y las ecuaciones pertinentes. Para el Eurocódigo, se utilizan las ecuaciones 6.10 o 6.10a,b para las combinaciones ELU, la ecuación 6.14b para la combinación característica ELS, la ecuación 6.15b para la combinación frecuente ELS y la ecuación 6.16b para la combinación cuasipermanente ELS. Sin embargo, los factores de carga y combinación se introducen dentro de las combinaciones definidas en midas Civil. Por lo tanto, las combinaciones dependientes del código no son relevantes al importar datos desde midas Civil. Están aquí para importar fuerzas internas de otros programas a IDEA StatiCa BIM.

2.2. Combinaciones lineales

Una combinación lineal de casos de carga es una combinación de suma simple. Las fuerzas internas de los casos de carga individuales en la combinación se suman aritméticamente. La combinación lineal es, por tanto, equivalente a una combinación de tipo Suma en midas Civil.

2.3. Combinaciones envolventes de casos de carga variable

Por otro lado, el significado de la combinación de tipo Envolvente en IDEA StatiCa BIM y la combinación de tipo Envolvente en midas Civil es significativamente diferente cuando se trabaja con casos de carga. Una combinación envolvente de casos de carga en IDEA StatiCa BIM es una envolvente de combinaciones lineales que se generan en función de una regla de combinación y la clasificación de los casos de carga en grupos de casos de carga. Así, primero se genera un conjunto de combinaciones lineales sumadas individuales dentro de la Envolvente de combinación. Luego, los máximos y mínimos se evalúan a partir de este conjunto, es decir, la envolvente máxima y mínima.

Como ya se ha mencionado, en midas Civil, los valores de las fuerzas internas, por ejemplo, nunca se suman en la combinación de tipo Envolvente. Sin embargo, los valores máximos y mínimos siempre se evalúan directamente a partir de los casos de carga y las combinaciones. No obstante, cuando las Envolventes y los Grupos de casos de carga se utilizan correctamente en IDEA StatiCa BIM, se comportan de la misma manera que las envolventes en midas Civil. Sin embargo, explicaremos esto en detalle más adelante.

Primero, ilustremos la función de la Combinación Envolvente en la aplicación BIM mediante un ejemplo. Pero antes de eso, necesitamos explicar el concepto de Grupo de Casos de Carga. Con el fin de crear Combinaciones Envolventes en IDEA StatiCa BIM, los casos de carga individuales se categorizan en los denominados Grupos de Casos de Carga. Cada grupo de casos de carga, y por tanto todos los casos de carga incluidos en él, tiene un parámetro importante llamado Tipo. El Tipo de un grupo de casos de carga define las interrelaciones entre los casos y, por tanto, determina qué se combinará y qué no en las combinaciones lineales sumadas (que luego conforman la envolvente).

 IDEA StatiCa BIM distingue siete grupos:

• Permanente
• Estándar
• Exclusivo
• Fatiga, exclusivo
• Accidental, estándar
• Accidental, exclusivo
• Sísmico, exclusivo.

A los efectos de este artículo, trataremos únicamente los tres primeros grupos.

Grupo de tipo Permanente

Los valores de los casos de carga Permanentes siempre se incluyen en la combinación lineal, por lo que están presentes en cada una de las combinaciones lineales.

Grupo de tipo Estándar

Los casos de carga del grupo de tipo Estándar pueden aparecer en subcombinaciones lineales individuales (a partir de las cuales se evalúa la envolvente) de forma individual, todos simultáneamente o solo un subconjunto de ellos. Todas las variantes posibles de "coexistencia" de casos de carga se generan automáticamente.

Ejemplo n.º 1: Envolvente de casos de carga variable de tipo Estándar

Considere dos casos de carga del tipo de carga variable, que se clasifican en el grupo de casos de carga de tipo Estándar. La tabla siguiente muestra las diferentes combinaciones lineales. Como puede observarse en la tabla, en el caso del tipo Estándar, la envolvente constará de cuatro subcombinaciones lineales.

Grupo de tipo Exclusivo

Para los casos de carga del grupo de tipo Exclusivo, solo un caso de carga del grupo se utiliza en cada combinación lineal.

Ejemplo n.º 2: Envolvente de casos de carga variable de tipo Exclusivo

Consideremos dos casos de carga del tipo de carga variable incluidos en el mismo grupo de casos de carga de tipo Exclusivo. La tabla siguiente muestra las combinaciones lineales individuales. Como puede observarse en la tabla, en el caso del grupo de tipo Exclusivo, la envolvente contendrá tres subcombinaciones lineales.

Al aplicar la combinación de tipo Envolvente a los casos de carga del grupo de tipo Exclusivo, cada una de las subcombinaciones lineales contiene solo un caso de carga, y se añade automáticamente una combinación nula y vacía adicional (volveremos a esto más adelante). Desde la perspectiva del usuario de midas Civil , es crucial señalar que aplicar la combinación envolvente al grupo de casos de carga de tipo Exclusivo produce el mismo resultado que aplicar la combinación Envolvente al grupo idéntico de casos de carga en midas Civil. Aunque la lógica de las combinaciones es ligeramente diferente, configurando correctamente las combinaciones se obtienen resultados idénticos en IDEA StatiCa BIM que en el archivo fuente de midas Civil.

Para mayor completitud, también debemos añadir que la combinación envolvente de dos grupos diferentes de tipo Exclusivo de cargas no funcionará igual que la combinación Envolvente en midas Civil porque, en las subcombinaciones lineales, solo puede aparecer simultáneamente un estado del primer grupo de tipo Exclusivo y uno del segundo. Por lo tanto, dentro de una única combinación envolvente, es necesario asegurarse de que todos los casos de carga variable estén dentro de un único grupo de tipo Exclusivo.

2.4. Combinaciones envolventes de un conjunto mixto de casos de carga permanentes y variables 

En el software IDEA StatiCa BIM, los casos de carga permanentes siempre se añaden a la envolvente de los casos de carga variable en la combinación envolvente. La aplicación BIM implementa esta lógica para garantizar la compatibilidad con otros programas, como Scia Engineer.

En cambio, la combinación Envolvente en midas Civil siempre funcionará como una "envolvente pura" (evaluación matemática de máximos y mínimos; no se suma nada) del conjunto de casos de carga, independientemente de si los casos de carga incluidos son permanentes o variables. Por lo tanto, la combinación envolvente del mismo conjunto mixto de casos de carga producirá resultados diferentes en midas Civil que en IDEA StatiCa BIM. Lo explicaremos con un ejemplo.

Ejemplo n.º 3: Envolvente de casos de carga variable y permanentes en una combinación 

Consideremos ahora tres casos de carga. Los casos de carga se asignan a dos grupos. El primer grupo es de tipo Permanente y contiene el caso de carga LC 1. Los otros dos casos de carga, LC 2 y LC 3, son variables y se asignan al segundo grupo de casos de carga, ya sea de tipo Estándar o Exclusivo. Las tablas siguientes muestran de nuevo las combinaciones lineales individuales de estos casos de carga en la aplicación BIM, dependiendo del tipo asignado al segundo grupo de casos de carga variable.

De la tabla se desprende claramente que el caso de carga permanente está incluido en cada subcombinación lineal (de suma), a partir de la cual se evalúa posteriormente la envolvente. Esto lleva a la regla para crear combinaciones en midas Civil – ¡no utilice combinaciones Envolventes en un conjunto de casos de carga donde estén presentes tanto casos de carga permanentes como variables, o solo casos de carga permanentes! Esta regla puede respetarse fácilmente y, de nuevo, se cumple que los resultados serán idénticos con una preparación adecuada del modelo de cálculo en midas Civil.

2.5. Combinaciones envolventes de casos de carga con el mismo signo

Otra diferencia entre midas Civil y la aplicación BIM surge al evaluar la envolvente de un conjunto de casos de carga variable con el mismo signo para las fuerzas internas. En otras palabras, en una sección específica, las fuerzas internas de los casos de carga individuales siempre tienen el mismo signo. Por supuesto, el signo puede cambiar a lo largo de la longitud de la estructura.

Por ejemplo, consideremos un grupo de tres casos de carga en el mismo grupo de tipo Exclusivo, que en una sección dada tienen los siguientes valores de momento: {20 kNm, 30 kNm, 40 kNm}. La aplicación BIM evaluará entonces el momento máximo como 40 kNm y el momento mínimo como cero. Esto se debe a que, como se mostró anteriormente, al evaluar la combinación envolvente de cargas variables, se incluye una combinación adicional "vacía" y nula, que representa el estado en el que no se aplica ninguna carga variable a la estructura.

Por otro lado, midas Civil sigue estrictamente la lógica matemática al evaluar la combinación Envolvente y evaluará el mínimo como 20 kNm y el máximo como 40 kNm. En otras palabras, la consideración de que ningún caso de carga puede aplicarse a la estructura se deja al usuario, quien puede lograrlo fácilmente añadiendo un caso de carga nulo (vacío) a la combinación Envolvente. Entonces, los resultados de la combinación Envolvente en IDEA StatiCa BIM y midas Civil serán idénticos. Por supuesto, esta es una situación poco frecuente, ya que la mayoría de las combinaciones Envolventes de cargas variables en el análisis de puentes se realizan a partir de casos de carga con diferentes signos de fuerzas internas en secciones individuales (p. ej., Viento_Y+; Viento_Y-). En estos casos, las combinaciones Envolventes en IDEA StatiCa BIM y midas Civil son idénticas, y no es necesario añadir un caso de carga nulo a la combinación en midas Civil. Basándose en lo anterior, se aplica la siguiente regla: Si los casos de carga individuales en la combinación Envolvente en midas Civil producen todas las fuerzas con el mismo signo, es necesario añadir un caso de carga nulo a la combinación Envolvente.

2.6. Combinaciones lineales y envolventes de combinaciones y casos de carga

La aplicación BIM adopta las reglas de combinación de midas Civil, por lo que también debe realizar combinaciones lineales y envolventes, tal como se definieron anteriormente (un nivel inferior), al igual que midas Civil. A diferencia del trabajo con casos de carga, cuando se trabaja con combinaciones, la lógica de las combinaciones lineales y envolventes es ahora idéntica a las combinaciones de tipo Suma y Envolvente en midas Civil. Esto significa que para las envolventes derivadas de combinaciones, la aplicación BIM siempre evalúa la envolvente de forma puramente matemática (efectos máximos y mínimos). Ya no existe distinción entre grupos de tipo estándar o exclusivo para las envolventes.

Basándose en el Capítulo 2.4, el lector podría preguntarse cómo se evaluará en la aplicación BIM una combinación Envolvente, transferida desde midas Civil, si se crea a partir de un conjunto mixto de elementos, es decir, de casos de carga y combinaciones. Expliquemos esto de nuevo con un ejemplo.

Ejemplo n.º 4: Envolvente de combinaciones y conjunto de casos de carga

Consideremos tres casos de carga, LC 1, LC 2 y LC 3, que son del mismo tipo, por lo que todos están en un grupo de carga exclusivo en la aplicación BIM. Además, consideremos una combinación de tipo Suma C1 en midas Civil. En midas Civil, se define entonces una combinación Envolvente C2_env a partir del grupo {C1; LC1; LC2; LC3}. La combinación Envolvente C2_env en la aplicación BIM se evaluará entonces de forma puramente envolvente, lo que significa:

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

No habrá suma de elementos, como se describe en el Capítulo 2.4, donde el conjunto envolvente de elementos comprende un grupo de carga exclusivo y un caso de carga permanente.

Analicemos ahora otro caso común de trabajo con cargas permanentes y envolventes, que ocurre frecuentemente en el análisis de puentes y podría plantear dudas debido a las particularidades del tratamiento de las cargas permanentes en las combinaciones envolventes en la aplicación BIM. El ejemplo implica considerar los valores inferior y superior de la carga permanente, donde, por ejemplo, el factor para el valor inferior es 1,0 y para el valor superior, el factor de carga es mayor que 1,0 (típicamente 1,35 o 0,85 x 1,35 = 1,15).

Ejemplo n.º 5: Consideración de la envolvente para los valores superior e inferior de la carga permanente

Consideremos en midas Civil un caso de carga para Carga Muerta, una combinación envolvente térmica Temp_env y una envolvente de carga móvil MVL. Según el código de diseño (Eurocódigo), es necesario tener en cuenta dos combinaciones de carga para el Estado Límite Último (ELU):

•     1,0×Carga muerta + 0,9×Temp_env + 1,35×MVL
•   1,35×Carga muerta + 0,9×Temp_env + 1,35×MVL 

Hay dos formas correctas de configurar las combinaciones para que los resultados coincidan en midas Civil e IDEA StatiCa BIM.

La primera opción es crear dos combinaciones de tipo Suma separadas en midas Civil, que se transferirán a la aplicación BIM como combinaciones lineales, evitando así los problemas descritos en la Sección 2.4.

La desventaja de la solución mencionada anteriormente es que conduce a un número duplicado de combinaciones de tipo Suma ELU en midas Civil, una vez con un factor de 1,0 y otra con 1,35. Por lo tanto, los usuarios a menudo proceden preparando una combinación Envolvente para la Carga Muerta. Para construir correctamente la envolvente, se utilizan combinaciones de tipo Suma "auxiliares", y las reglas de combinación serían las siguientes:

• Combinación de tipo Suma Dead_1.0 – caso de carga Carga muerta, factor 1,0
• Combinación de tipo Suma Dead_1.35 – caso de carga Carga muerta, factor 1,35
• Combinación Envolvente Dead_env – dos elementos: {Dead_1.0; Dead_1.35}

Para la combinación n.º 3, se utiliza una envolvente de combinaciones, por lo que se evaluará correctamente en IDEA StatiCa BIM como una envolvente máx/mín, a diferencia de la situación en la que se crearía una envolvente a partir de dos casos permanentes, que se sumarían en la combinación envolvente de la aplicación BIM. La Dead_env se utiliza entonces en una combinación de tipo Suma en Midas Civil, por lo que el número de combinaciones ELU se reduce a la mitad en comparación con la primera solución.

 3. Trabajo con casos de carga de tipo permanente del Análisis por Etapas Constructivas

Como se describió anteriormente, la especificidad del trabajo con casos de carga de tipo permanente en la aplicación BIM es que siempre se suman aritméticamente, incluso en la combinación envolvente. Otro problema con el procesamiento de casos de carga permanentes puede surgir si se utiliza el Análisis por Etapas Constructivas en midas Civil. Esto se explicará en la siguiente sección.

El análisis de, por ejemplo, un puente pretensado en midas Civil se realiza en dos pasos:

• Etapa constructiva – Análisis por etapas constructivas, incluyendo el pretensado y los efectos reológicos.
• Etapa post-constructiva (Post CS o etapa completada) – análisis estático de cargas variables (temperatura, viento, tráfico, asiento, etc.) sobre el modelo de elementos finitos de la estructura terminada.

Los siguientes casos de carga son los resultados del análisis por etapas constructivas:

• Carga muerta
• Carga de erección
• Tendón primario
• Tendón secundario
• Fluencia secundaria
• Retracción secundaria

Por ejemplo, las cargas permanentes se incluyen solo en un caso de carga, Carga muerta, que representa las cargas permanentes acumuladas de todas las etapas al final de la construcción – la etapa final. Por otro lado, tras ser importado en IDEA StatiCa BIM, el estado de carga muerta acumulada se divide en casos incrementales según las etapas constructivas – uno para el inicio y otro para el final de cada etapa. Esto se hace para que la aplicación BIM pueda "replicar" el cálculo por etapas de la estructura y, por ejemplo, configurar correctamente el procedimiento de pretensado y el estado inicial de la sección transversal para la verificación de IDEA StatiCa RCS. Los casos incrementales individuales en IDEA StatiCa BIM se denominan DL<nombre de etapa>[F] para el inicio (primer paso) de la etapa y DL<nombre de etapa>[L] para el final (último paso). Todos estos casos se agrupan en un grupo de casos de carga denominado Carga muerta, como se muestra en la siguiente imagen.

De manera similar, otros casos de carga (Tendón primario, Tendón secundario, etc.) se dividen en IDEA StatiCa BIM y, tras la importación, se asignan a los grupos de casos de carga correspondientes. Todos estos grupos, que representan los resultados del Análisis por Etapas Constructivas, son de tipo Permanente. Los casos individuales en la aplicación BIM se asignan automáticamente a las combinaciones importadas desde midas Civil. Por ejemplo, donde se utilizó un caso de Carga muerta acumulada con un factor de 1,35 en una combinación de midas Civil, en IDEA StatiCa BIM se reemplaza automáticamente por el grupo completo de casos individuales DL<nombre de etapa>[F] y DL<nombre de etapa>[L], todos con un factor de 1,35.

Sin embargo, surge un problema cuando un caso de carga del análisis PostCS (cargas variables – temperatura, viento, etc.) se asigna incorrectamente al tipo Permanente tras ser importado en la aplicación BIM. Esta situación ocurre con mayor frecuencia si el tipo Carga muerta o USUARIO se establece incorrectamente para un caso de carga PostCS en midas Civil. IDEA StatiCa BIM trata entonces estos casos de carga permanentes como resultados del Análisis por Etapas Constructivas e intenta "encontrarlos" en las combinaciones que representan los pasos individuales de la construcción por etapas. Como no están allí, IDEA StatiCa BIM no sabe dónde colocarlos y, al realizar la verificación de la sección transversal, genera un mensaje de error: "La combinación no es aplicable para el diseño de la sección transversal porque los casos de carga permanentes contenidos en esta combinación no se corresponden con los casos de carga permanentes definidos en las etapas constructivas."

Estos errores pueden evitarse fácilmente configurando correctamente los tipos para los casos de carga individuales en midas Civil. Esto significa que los casos de carga permanentes (caso de carga Permanente) solo deben utilizarse para el Análisis por Etapas Constructivas, y los casos de carga variables (caso de carga Transitorio) deben utilizarse para el análisis Post CS. Entonces, tras exportar a IDEA StatiCa BIM, el tipo permanente quedará reservado únicamente para los resultados de la construcción por etapas, y los problemas descritos anteriormente no se producirán.