Lien BIM Midas Civil – logique de traitement des cas de charge et des combinaisons dans IDEA StatiCa BIM

Ce texte d'extension est adapté à une compréhension détaillée des problèmes et à la résolution de situations non standard lors de l'importation Midas Civil – IDEA StatiCa. Cet article fait partie d'une série de trois articles qui couvrent de manière exhaustive la question de l'importation des efforts intérieurs dans IDEA StatiCa BIM depuis Midas Civil. Les deux autres articles sont les suivants :

• Lien BIM Midas Civil – préparation du modèle de calcul – Cet article définit les principes de travail avec un lien BIM et, en particulier, les directives pour la préparation d'un modèle de calcul dans Midas Civil.
• Lien BIM Midas Civil pour le dimensionnement d'un pont à trois travées en post-tension – Un exemple pratique d'importation des résultats du modèle de calcul d'un pont à poutre en T précontraint à trois travées dans IDEA StatiCa BIM.

1. Combinaisons dans Midas Civil

Midas Civil utilise des combinaisons de type Addition et Enveloppe. Comme tout utilisateur de Midas le sait, les combinaisons sont ensuite traitées comme des « couches ». Chaque combinaison de type Addition ou Enveloppe définie dans une couche (N-1) peut être utilisée pour définir un ensemble d'éléments combinés dans une combinaison de type Addition ou Enveloppe de la couche N. C'est ainsi que les combinaisons standard ELS et ELU sont construites en séquence. Il est important de noter qu'aucune sommation des effets de charge n'est jamais effectuée au sein d'une combinaison Enveloppe. En revanche, les effets de charge maximaux et minimaux sont toujours évalués à partir d'un ensemble défini de cas de charge et de combinaisons de charges définis dans la couche précédente.

2. Combinaisons dans IDEA StatiCa BIM

Décrivons maintenant la logique de base de la combinaison des cas de charge dans IDEA StatiCa BIM. L'application BIM utilise quatre types de combinaisons de base :

• Eurocode (6.10)
• Eurocode (6.10 a,b)
• Enveloppe
• Linéaire

2.1. Combinaisons dépendantes du code

Les combinaisons dépendantes du code se comportent de la même manière que les combinaisons enveloppe (voir ci-dessous). Cependant, l'application BIM génère automatiquement les facteurs de charge et de combinaison conformément à la description du code et aux équations pertinentes. Pour l'Eurocode, les équations 6.10 ou 6.10a,b sont utilisées pour les combinaisons ELU, l'équation 6.14b pour la combinaison ELS caractéristique, l'équation 6.15b pour la combinaison ELS fréquente et l'équation 6.16b pour la combinaison ELS quasi-permanente. Toutefois, les facteurs de charge et de combinaison sont saisis dans les combinaisons définies dans Midas Civil. Ainsi, les combinaisons dépendantes du code ne sont pas pertinentes lors de l'importation de données depuis Midas Civil. Elles sont destinées à l'importation des efforts intérieurs depuis d'autres programmes vers IDEA StatiCa BIM.

2.2. Combinaisons linéaires

Une combinaison linéaire de cas de charge est une combinaison par simple sommation. Les efforts intérieurs des cas de charge individuels de la combinaison sont additionnés arithmétiquement. La combinaison linéaire est donc équivalente à une combinaison de type Addition dans Midas Civil.

2.3. Combinaisons enveloppe de cas de charges variables

En revanche, la signification de la combinaison de type Enveloppe dans IDEA StatiCa BIM et de la combinaison de type Enveloppe dans Midas Civil est significativement différente lorsqu'on travaille avec des cas de charge. Une combinaison enveloppe de cas de charge dans IDEA StatiCa BIM est une enveloppe de combinaisons linéaires générées sur la base d'une règle de combinaison et de la classification des cas de charge en groupes de cas de charge. Ainsi, un ensemble de combinaisons linéaires sommées individuelles est d'abord généré au sein de la combinaison Enveloppe. Ensuite, les maxima et minima sont évalués à partir de cet ensemble – c'est-à-dire l'enveloppe max et min.

Comme mentionné précédemment, dans Midas Civil, les valeurs des efforts intérieurs, par exemple, ne sont jamais additionnées dans la combinaison de type Enveloppe. En revanche, les valeurs max et min sont toujours directement évaluées à partir des cas de charge et des combinaisons. Cependant, lorsque les Enveloppes et les Groupes de cas de charge sont utilisés correctement dans IDEA StatiCa BIM, ils se comportent de la même manière que les enveloppes dans Midas Civil. Nous expliquerons cela en détail ultérieurement.

Illustrons d'abord le fonctionnement de la combinaison Enveloppe dans l'application BIM à l'aide d'un exemple. Mais avant cela, nous devons expliquer le concept de Groupe de cas de charge. Pour la création de combinaisons Enveloppe dans IDEA StatiCa BIM, les cas de charge individuels sont classés dans des Groupes de cas de charge. Chaque groupe de cas de charge, et donc tous les cas de charge qui y sont inclus, possède un paramètre important appelé Type. Le Type d'un groupe de cas de charge définit les interrelations entre les cas et régit ainsi ce qui sera et ne sera pas combiné avec ce qui se trouve dans les combinaisons linéaires sommées (qui constituent ensuite l'enveloppe).

 IDEA StatiCa BIM distingue sept groupes :

• Permanent
• Standard
• Exclusif
• Fatigue, exclusif
• Accidentel, standard
• Accidentel, exclusif
• Sismique, exclusif.

Pour les besoins de cet article, nous ne traiterons que des trois premiers groupes.

Groupe de type Permanent

Les valeurs des cas de charge Permanents sont toujours incluses dans la combinaison linéaire, de sorte qu'elles sont présentes dans chacune des combinaisons linéaires.

Groupe de type Standard

Les cas de charge du groupe de type Standard peuvent apparaître dans les sous-combinaisons linéaires individuelles (à partir desquelles l'enveloppe est ensuite évaluée) seuls, tous simultanément, ou seulement un sous-ensemble d'entre eux. Toutes les variantes possibles de « co-occurrence » des cas de charge sont générées automatiquement.

Exemple n° 1 : Enveloppe de cas de charges variables de type Standard

Considérons deux cas de charge de type charge variable, classés dans le groupe de cas de charge de type Standard. Le tableau ci-dessous présente les différentes combinaisons linéaires. Comme on peut le voir dans le tableau, dans le cas du type Standard, l'enveloppe sera composée de quatre sous-combinaisons linéaires.

Groupe de type Exclusif

Pour les cas de charge du groupe de type Exclusif, un seul cas de charge du groupe est utilisé dans chaque combinaison linéaire.

Exemple n° 2 : Enveloppe de cas de charges variables de type Exclusif

Considérons deux cas de charge de type charge variable inclus dans le même groupe de cas de charge de type Exclusif. Le tableau ci-dessous présente les combinaisons linéaires individuelles. Comme on peut le voir dans le tableau, dans le cas du groupe de type Exclusif, l'enveloppe contiendra trois sous-combinaisons linéaires.

Lors de l'application de la combinaison de type Enveloppe aux cas de charge du groupe de type Exclusif, chacune des sous-combinaisons linéaires ne contient qu'un seul cas de charge, et une combinaison nulle et vide supplémentaire est automatiquement ajoutée (nous y reviendrons plus tard). Du point de vue de l'utilisateur de Midas Civil , il est crucial de noter que l'application de la combinaison enveloppe au groupe de cas de charge de type Exclusif produit le même résultat que l'application de la combinaison Enveloppe au groupe identique de cas de charge dans Midas Civil. Bien que la logique des combinaisons soit légèrement différente, en configurant correctement les combinaisons, des résultats identiques sont obtenus dans IDEA StatiCa BIM et dans le fichier source Midas Civil.

Pour être complet, il convient également d'ajouter que la combinaison enveloppe de deux groupes de type Exclusif différents ne fonctionnera pas de la même manière que la combinaison Enveloppe dans Midas Civil, car dans les sous-combinaisons linéaires, seul un état du premier groupe de type Exclusif et un du second peuvent apparaître simultanément. Par conséquent, au sein d'une seule combinaison enveloppe, il est nécessaire de s'assurer que tous les cas de charge variables se trouvent dans un seul groupe de type Exclusif.

2.4. Combinaisons enveloppe à partir d'un ensemble mixte de cas de charges permanents et variables 

Dans le logiciel IDEA StatiCa BIM, les cas de charge Permanents sont toujours ajoutés à l'enveloppe des cas de charge variables dans la combinaison enveloppe. L'application BIM implémente cette logique pour assurer la compatibilité avec d'autres programmes, tels que SCIA Engineer.

En revanche, la combinaison Enveloppe dans Midas Civil fonctionnera toujours comme une « enveloppe pure » (évaluation mathématique du max et du min ; rien n'est additionné) à partir de l'ensemble des cas de charge, que les cas de charge inclus soient permanents ou variables. Ainsi, la combinaison enveloppe du même ensemble mixte de cas de charge donnera des résultats différents dans Midas Civil et dans IDEA StatiCa BIM. Nous l'expliquerons à l'aide d'un exemple.

Exemple n° 3 : Enveloppe de cas de charges variables et permanents dans une même combinaison 

Considérons maintenant trois cas de charge. Les cas de charge sont répartis en deux groupes. Le premier groupe est de type Permanent et contient le cas de charge LC 1. Les deux autres cas de charge, LC 2 et LC 3, sont variables et sont affectés au second groupe de cas de charge, soit de type Standard, soit de type Exclusif. Les tableaux ci-dessous présentent à nouveau les combinaisons linéaires individuelles de ces cas de charge dans l'application BIM, en fonction du type attribué au second groupe de cas de charge variables.

D'après le tableau, il est clair que le cas de charge permanent est inclus dans chaque sous-combinaison linéaire (de sommation), à partir de laquelle l'enveloppe est ensuite évaluée. Cela conduit à la règle de création des combinaisons dans Midas Civil – ne pas utiliser les combinaisons Enveloppe sur un ensemble de cas de charge où des cas de charge permanents et variables sont présents simultanément, ou uniquement des cas de charge permanents ! Cette règle peut être facilement respectée et, là encore, il est vrai que les résultats seront identiques avec une préparation correcte du modèle de calcul dans Midas Civil.

2.5. Combinaisons enveloppe de cas de charges de même signe

Une autre différence entre Midas Civil et l'application BIM apparaît lors de l'évaluation de l'enveloppe à partir d'un ensemble de cas de charges variables présentant le même signe pour les efforts intérieurs. En d'autres termes, dans une section donnée, les efforts intérieurs des cas de charge individuels ont toujours le même signe. Bien entendu, le signe peut changer le long de la longueur de la structure.

Par exemple, considérons un groupe de trois cas de charge dans le même groupe de type Exclusif, qui dans une section donnée présentent les valeurs de moment suivantes : {20 kNm, 30 kNm, 40 kNm}. L'application BIM évaluera alors le moment maximal à 40 kNm et le moment minimal à zéro. En effet, comme montré précédemment, lors de l'évaluation de la combinaison enveloppe des charges variables, une combinaison « vide » supplémentaire à zéro est incluse, représentant l'état où aucune charge variable n'est appliquée à la structure.

En revanche, Midas Civil suit strictement la logique mathématique lors de l'évaluation de la combinaison Enveloppe et évaluera le minimum à 20 kNm et le maximum à 40 kNm. En d'autres termes, la prise en compte du fait qu'aucun cas de charge ne peut être appliqué à la structure est laissée à l'utilisateur, qui peut facilement y parvenir en ajoutant un cas de charge nul (vide) à la combinaison Enveloppe. Les résultats de la combinaison Enveloppe dans IDEA StatiCa BIM et Midas Civil seront alors identiques. Bien entendu, il s'agit d'une situation rare, car la plupart des combinaisons Enveloppe de charges variables dans l'analyse des ponts sont constituées de cas de charge avec des signes différents des efforts intérieurs dans les sections individuelles (par exemple, Vent_Y+ ; Vent_Y-). Dans ces cas, les combinaisons Enveloppe dans IDEA StatiCa BIM et Midas Civil sont identiques, et l'ajout d'un cas de charge nul à la combinaison dans Midas Civil est inutile. Sur la base de ce qui précède, la règle suivante s'applique : Si les cas de charge individuels dans la combinaison Enveloppe dans Midas Civil donnent tous des efforts de même signe, il est nécessaire d'ajouter un cas de charge nul à la combinaison Enveloppe.

2.6. Combinaisons linéaires et enveloppe à partir de combinaisons et de cas de charge

L'application BIM adopte les règles de combinaison de Midas Civil et doit donc également effectuer des combinaisons linéaires et enveloppe, telles que définies précédemment (un niveau inférieur), tout comme Midas Civil. Contrairement au travail avec les cas de charge, lorsqu'on travaille avec des combinaisons, la logique des combinaisons linéaires et enveloppe est désormais identique aux combinaisons Addition et Enveloppe dans Midas Civil. Cela signifie que pour les enveloppes dérivées de combinaisons, l'application BIM évalue toujours l'enveloppe de manière purement mathématique (effets max et min). Il n'y a plus de distinction entre les groupes de type standard ou exclusif pour les enveloppes.

Sur la base du chapitre 2.4, le lecteur pourrait se demander comment une combinaison Enveloppe, transférée depuis Midas Civil, sera évaluée dans l'application BIM si elle est créée à partir d'un ensemble mixte d'éléments, c'est-à-dire à partir de cas de charge et de combinaisons. Expliquons cela à nouveau avec un exemple.

Exemple n° 4 : Enveloppe à partir d'un ensemble de combinaisons et de cas de charge

Considérons trois cas de charge, LC 1, LC 2 et LC 3, qui sont du même type, de sorte qu'ils se trouvent tous dans un groupe de charge exclusif dans l'application BIM. De plus, considérons une combinaison de type Addition C1 dans Midas Civil. Dans Midas Civil, une combinaison Enveloppe C2_env est ensuite définie à partir du groupe {C1 ; LC1 ; LC2 ; LC3}. La combinaison Enveloppe C2_env dans l'application BIM sera alors évaluée purement comme une enveloppe, ce qui signifie :

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

Il n'y aura pas d'addition d'éléments, comme décrit au chapitre 2.4, où l'ensemble enveloppe d'éléments comprend un groupe de charge exclusif et un cas de charge permanent.

Analysons maintenant un autre cas courant de travail avec les charges permanentes et les enveloppes, qui se produit fréquemment dans l'analyse des ponts et peut soulever des questions en raison des spécificités du traitement des charges permanentes dans les combinaisons enveloppe de l'application BIM. L'exemple implique la prise en compte des valeurs inférieure et supérieure de la charge permanente, où, par exemple, le facteur pour la valeur inférieure est 1,0 et pour la valeur supérieure, le facteur de charge est supérieur à 1,0 (généralement 1,35 ou 0,85 × 1,35 = 1,15).

Exemple n° 5 : Prise en compte de l'enveloppe pour les valeurs supérieure et inférieure de la charge permanente

Considérons dans Midas Civil un cas de charge pour la charge permanente, une combinaison enveloppe thermique Temp_env et une enveloppe de charge mobile MVL. Conformément au code de calcul (Eurocode), il est nécessaire de prendre en compte deux combinaisons de charges à l'État Limite Ultime (ELU) :

•     1,0×Charge permanente + 0,9×Temp_env + 1,35×MVL
•   1,35×Charge permanente + 0,9×Temp_env + 1,35×MVL 

Il existe deux façons correctes de configurer les combinaisons pour que les résultats dans Midas Civil et IDEA StatiCa BIM concordent.

La première option consiste à créer deux combinaisons Addition séparées dans Midas Civil, qui seront transférées dans l'application BIM en tant que combinaisons linéaires, évitant ainsi tout problème décrit à la section 2.4.

L'inconvénient de la solution mentionnée ci-dessus est qu'elle conduit à un doublement du nombre de combinaisons Addition ELU dans Midas Civil, une fois avec un facteur de 1,0 et une autre avec 1,35. C'est pourquoi les utilisateurs procèdent souvent en préparant une combinaison Enveloppe pour la charge permanente. Pour construire correctement l'enveloppe, des combinaisons Addition « auxiliaires » sont utilisées, et les règles de combinaison seraient les suivantes :

• Combinaison Addition Dead_1.0 – cas de charge permanente, facteur 1,0
• Combinaison Addition Dead_1.35 – cas de charge permanente, facteur 1,35
• Combinaison Enveloppe Dead_env – deux éléments : {Dead_1.0 ; Dead_1.35}

Pour la combinaison n° 3, une enveloppe de combinaisons est utilisée, de sorte qu'elle sera évaluée correctement dans IDEA StatiCa BIM comme une enveloppe max/min, contrairement à la situation où une enveloppe serait créée à partir de deux cas permanents, qui seraient sommés dans la combinaison enveloppe de l'application BIM. La Dead_env est ensuite utilisée dans une combinaison Addition dans Midas Civil, de sorte que le nombre de combinaisons ELU est réduit de moitié par rapport à la première solution.

 3. Travail avec les cas de charge de type permanent issus de l'analyse par phases de construction

Comme décrit ci-dessus, la spécificité du travail avec les cas de charge de type permanent dans l'application BIM est qu'ils sont toujours additionnés arithmétiquement, même dans la combinaison enveloppe. Un autre problème lié au traitement des cas de charge permanents peut survenir si l'analyse par phases de construction est utilisée dans Midas Civil. Cela sera expliqué dans la section suivante.

L'analyse, par exemple, d'un pont précontraint dans Midas Civil est réalisée en deux étapes :

• Phase de construction – Analyse par phases de construction, incluant la précontrainte et les effets rhéologiques.
• Phase post-construction (Post CS ou étape achevée) – analyse statique des charges variables (température, vent, trafic, tassement, etc.) sur le modèle éléments finis de la structure achevée.

Les cas de charge suivants sont les résultats de l'analyse par phases de construction :

• Charge permanente
• Charge de montage
• Câble de précontrainte primaire
• Câble de précontrainte secondaire
• Fluage secondaire
• Retrait secondaire

Par exemple, les charges permanentes ne sont incluses que dans un seul cas de charge, la charge permanente, qui représente les charges permanentes cumulées de toutes les phases à la fin de la construction – la phase finale. En revanche, après importation dans IDEA StatiCa BIM, l'état de charge permanente cumulée est décomposé en cas incrémentaux selon les phases de construction – un pour le début et un pour la fin de chaque phase. Cela est fait pour que l'application BIM puisse « reproduire » le calcul phasé de la structure et, par exemple, configurer correctement la procédure de précontrainte et l'état initial de la section transversale pour la vérification IDEA StatiCa RCS. Les cas incrémentaux individuels dans IDEA StatiCa BIM sont nommés DL<nom de la phase>[F] pour le début (première étape) de la phase et DL<nom de la phase>[L] pour la fin (dernière étape). Tous ces cas sont regroupés dans un groupe de cas de charge nommé Charge permanente, comme illustré dans l'image suivante.

De même, les autres cas de charge (Câble de précontrainte primaire, Câble de précontrainte secondaire, etc.) sont divisés dans IDEA StatiCa BIM et, après importation, affectés aux groupes de cas de charge correspondants. Tous ces groupes, représentant les résultats de l'analyse par phases de construction, sont de type Permanent. Les cas individuels dans l'application BIM sont automatiquement affectés aux combinaisons importées depuis Midas Civil. Par exemple, là où un cas de charge permanente cumulée avec un facteur de 1,35 était utilisé dans une combinaison Midas Civil, dans IDEA StatiCa BIM, il est automatiquement remplacé par l'ensemble du groupe de cas individuels DL<nom de la phase>[F] et DL<nom de la phase>[L], tous avec un facteur de 1,35.

Cependant, un problème survient lorsqu'un cas de charge issu de l'analyse PostCS (charges variables – température, vent, etc.) se voit incorrectement attribuer le type Permanent après importation dans l'application BIM. Cette situation se produit le plus souvent si le type Charge permanente ou UTILISATEUR est incorrectement défini pour un cas de charge PostCS dans Midas Civil. IDEA StatiCa BIM traite alors ces cas de charge permanents comme des résultats de l'analyse par phases de construction et tente de les « retrouver » dans les combinaisons représentant les étapes individuelles de la construction phasée. Comme ils n'y figurent pas, IDEA StatiCa BIM ne sait pas où les placer et, lors de la vérification normative de la section transversale, génère un message d'erreur : « La combinaison n'est pas applicable pour le dimensionnement de la section transversale car les cas de charge permanents contenus dans cette combinaison ne correspondent pas aux cas de charge permanents définis dans les phases de construction. »

Ces erreurs peuvent facilement être évitées en définissant correctement les types des cas de charge individuels dans Midas Civil. Cela signifie que les cas de charge permanents (cas de charge Permanent) ne doivent être utilisés que pour l'analyse par phases de construction, et que les cas de charge variables (cas de charge Transitoire) doivent être utilisés pour l'analyse Post CS. Ainsi, après exportation vers IDEA StatiCa BIM, le type permanent sera réservé uniquement aux résultats de la construction phasée, et les problèmes décrits ci-dessus ne se produiront pas.