Midas Civil BIM link – terhelési esetek és kombinációk utófeldolgozásának logikája az IDEA StatiCa BIM-ben

Ez a kiegészítő szöveg a problémák részletes megértéséhez és a midas Civil – IDEA StatiCa importálás során felmerülő nem szabványos helyzetek megoldásához nyújt segítséget. Ez a cikk egy háromrészes sorozat része, amely átfogóan tárgyalja a belső erők IDEA StatiCa BIM-be való importálásának kérdését a midas Civil-ből. A másik két cikk a következő:

• Midas Civil BIM link – a számítási modell előkészítése – Ez a cikk meghatározza a BIM link használatának elveit, és különösen a midas Civil-ben lévő számítási modell előkészítésének irányelveit.
• Midas Civil BIM link háromnyílású utófeszített híd tervezéséhez – Egy előfeszített, háromnyílású, T-tartós híd számítási modelljéből az IDEA StatiCa BIM-be importált eredmények gyakorlati példája.

1. Kombinációk a midas Civil-ben

Midas Civil Add és Envelope típusú kombinációkkal dolgozik. Ahogy minden midas felhasználó tudja, a kombinációkat ezután „rétegekként" kezelik. Minden egyes rétegben (N-1) definiált Add vagy Envelope típusú kombináció felhasználható az N rétegben lévő Add vagy Envelope típusú kombináció kombinált elemeinek meghatározásához. Így épülnek fel sorban a szabványos SLS és ULS kombinációk. Fontos megjegyezni, hogy az Envelope kombinációban soha nem történik teherhatások összegzése. Ugyanakkor a maximális és minimális teherhatásokat mindig az előző rétegben meghatározott terhelési esetek és terhelési kombinációk megadott készletéből értékelik ki.

2. Kombinációk az IDEA StatiCa BIM-ben

Most írjuk le a terhelési esetek kombinálásának alapvető logikáját az IDEA StatiCa BIM-ben. A BIM alkalmazás négy alapvető kombinációtípussal dolgozik:

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

2.1. Szabványfüggő kombinációk

A szabványfüggő kombinációk ugyanúgy viselkednek, mint az envelope kombinációk (lásd alább). Ugyanakkor a BIM alkalmazás automatikusan generálja a terhelési és kombinációs tényezőket a szabvány leírása és a vonatkozó egyenletek alapján. Az Eurocode esetében a 6.10 vagy 6.10a,b egyenleteket használják az ULS kombinációkhoz, a 6.14b egyenletet az SLS karakterisztikus, a 6.15b egyenletet az SLS gyakori és a 6.16b egyenletet az SLS kvázi-állandó kombinációhoz. A terhelési és kombinációs tényezőket azonban a midas Civil-ben definiált kombinációkon belül kell megadni. Ezért a szabványfüggő kombinációk nem relevánsak a midas Civil-ből történő adatimportáláskor. Ezek más programokból az IDEA StatiCa BIM-be történő belső erők importálásához szükségesek.

2.2. Lineáris kombinációk

A terhelési esetek lineáris kombinációja egyszerű összegzési kombináció. A kombinációban szereplő egyes terhelési esetekből származó belső erők aritmetikailag összeadódnak. A lineáris kombináció tehát egyenértékű a midas Civil Add típusú kombinációjával.

2.3. Változó terhelési esetekből álló envelope kombinációk

Másrészt az IDEA StatiCa BIM-ben az Envelope típusú kombináció és a midas Civil-ben az Envelope típusú kombináció jelentése lényegesen eltér egymástól, amikor terhelési esetekkel dolgozunk. Az IDEA StatiCa BIM-ben a terhelési esetek envelope kombinációja olyan lineáris kombinációk burkolója, amelyek egy kombinációs szabály és a terhelési esetek terhelési esetcsoportokba való besorolása alapján generálódnak. Így először a Envelope kombináción belül egy sor egyedi összegzett lineáris alkombináció generálódik. Ezután ebből a készletből értékelik ki a maximumokat és minimumokat – azaz a max és min burkolót.

Ahogy már említettük, a midas Civil-ben a belső erők értékei például soha nem adódnak össze az Envelope típusú kombinációban. Ugyanakkor a max és min értékeket mindig közvetlenül a terhelési esetekből és kombinációkból értékelik ki. Azonban ha az Envelope-okat és a terhelési esetcsoportokat helyesen alkalmazzák az IDEA StatiCa BIM-ben, ugyanúgy viselkednek, mint a midas Civil-ben lévő envelope-ok. Ezt azonban részletesen később magyarázzuk el.

Először szemléltessük az Envelope kombináció működését a BIM alkalmazásban egy példán keresztül. De előtte meg kell magyaráznunk a terhelési esetcsoport fogalmát. Az IDEA StatiCa BIM-ben az Envelope kombinációk létrehozásának céljából az egyes terhelési eseteket úgynevezett terhelési esetcsoportokba sorolják. Minden terhelési esetcsoportnak, és így az abban szereplő összes terhelési esetnek van egy fontos paramétere, amelyet Típusnak neveznek. A terhelési esetcsoport típusa meghatározza az esetek közötti összefüggéseket, és így szabályozza, hogy mi kombinálódik és mi nem kombinálódik az összegzett lineáris kombinációkban (amelyek aztán az envelope-ot alkotják).

 Az IDEA StatiCa BIM hét csoportot különböztet meg:

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

A jelen cikk céljából csak az első három csoporttal foglalkozunk.

Permanent típusú csoport

A Permanent terhelési esetekből származó értékek mindig szerepelnek a lineáris kombinációban, tehát minden egyes lineáris kombinációban jelen vannak.

Standard típusú csoport

A Standard típusú csoportból származó terhelési esetek az egyes lineáris alkombinációkban (amelyekből az envelope-ot értékelik ki) előfordulhatnak egyenként, egyszerre mindegyik, vagy csak egy részük. A terhelési esetek „együttes előfordulásának" összes lehetséges változata automatikusan generálódik.

1. példa: Standard típusú változó terhelési esetek envelope-ja

Tekintsünk két változó terhelési típusú terhelési esetet, amelyek a Standard típusú terhelési esetcsoportba vannak besorolva. Az alábbi táblázat a különböző lineáris kombinációkat mutatja. Ahogy a táblázatból látható, a Standard típus esetén az envelope négy lineáris alkombinációból áll.

Exclusive típusú csoport

Az Exclusive típusú csoport terhelési esetei esetén minden egyes lineáris kombinációban csak egy terhelési eset szerepel a csoportból.

2. példa: Exclusive típusú változó terhelési esetek envelope-ja

Tekintsünk két változó terhelési típusú terhelési esetet, amelyek ugyanabba az Exclusive típusú terhelési esetcsoportba tartoznak. Az alábbi táblázat az egyes lineáris kombinációkat mutatja. Ahogy a táblázatból látható, az Exclusive típusú csoport esetén az envelope három lineáris alkombinációt tartalmaz.

Az Envelope típusú kombináció Exclusive típusú csoportba tartozó terhelési esetekre való alkalmazásakor minden egyes lineáris alkombináció csak egy terhelési esetet tartalmaz, és automatikusan hozzáadódik egy további nulla, üres kombináció (erre később visszatérünk). A midas Civil felhasználója szempontjából kulcsfontosságú megjegyezni, hogy az envelope kombináció Exclusive típusú terhelési esetcsoportra való alkalmazása ugyanolyan eredményt ad, mint az Envelope kombináció alkalmazása az azonos terhelési esetcsoportra a midas Civil-ben. Bár a kombinációk logikája kissé eltérő, a kombinációk helyes beállításával azonos eredmények érhetők el az IDEA StatiCa BIM-ben és a forrás midas Civil fájlban.

A teljesség kedvéért hozzá kell tennünk, hogy két különböző Exclusive típusú terhelési csoport envelope kombinációja nem fog ugyanúgy működni, mint az Envelope kombináció a midas Civil-ben, mivel a lineáris alkombinációkban egyszerre csak egy állapot jelenhet meg az első Exclusive típusú csoportból és egy a másodikból. Ezért egyetlen envelope kombinációon belül biztosítani kell, hogy az összes változó terhelési eset egy Exclusive típusú csoporton belül legyen.

2.4. Envelope kombinációk állandó és változó terhelési esetek vegyes készletéből 

Az IDEA StatiCa BIM szoftverben az állandó terhelési esetek mindig hozzáadódnak az envelope kombinációban a változó terhelési esetekből képzett envelope-hoz. A BIM alkalmazás ezt a logikát alkalmazza a más programokkal, például a Scia Engineer-rel való kompatibilitás biztosítása érdekében.

Ezzel szemben a midas Civil-ben az Envelope kombináció mindig „tiszta envelope"-ként fog működni (a max és min matematikai kiértékelése; semmi nem adódik hozzá) a terhelési esetek készletéből, függetlenül attól, hogy a benne szereplő terhelési esetek állandók vagy változók. Így az azonos vegyes terhelési esetkészlet envelope kombinációja eltérő eredményeket ad a midas Civil-ben és az IDEA StatiCa BIM-ben. Ezt egy példán keresztül magyarázzuk el.

3. példa: Változó és állandó terhelési esetek envelope-ja egy kombinációban 

Tekintsünk most három terhelési esetet. A terhelési esetek két csoportba vannak besorolva. Az első csoport Permanent típusú és az LC 1 terhelési esetet tartalmazza. A másik két terhelési eset, az LC 2 és az LC 3, változó, és a terhelési esetek második csoportjába van besorolva, Standard vagy Exclusive típusba. Az alábbi táblázatok ismét megmutatják ezeknek a terhelési eseteknek az egyes lineáris kombinációit a BIM alkalmazásban, a változó terhelési esetek második csoportjához rendelt típustól függően.

A táblázatból egyértelműen látható, hogy az állandó terhelési eset minden lineáris (összegzési) alkombinációban szerepel, amelyekből az envelope-ot ezt követően kiértékelik. Ez elvezet a midas Civil-ben alkalmazandó kombinációk létrehozásának szabályához – ne használjon Envelope kombinációkat olyan terhelési esetkészleten, amelyben állandó és változó terhelési esetek egyaránt szerepelnek, vagy csak állandó terhelési esetek vannak! Ez a szabály könnyen betartható, és ismét igaz, hogy az eredmények azonosak lesznek a midas Civil-ben megfelelően előkészített számítási modell esetén.

2.5. Envelope kombinációk azonos előjelű terhelési esetekből

Egy másik különbség a midas Civil és a BIM alkalmazás között akkor merül fel, amikor azonos előjelű belső erőkkel rendelkező változó terhelési esetkészletből értékelik ki az envelope-ot. Más szóval, egy adott keresztmetszetben az egyes terhelési esetekből származó belső erők mindig azonos előjelűek. Természetesen az előjel változhat a szerkezet hossza mentén.

Például tekintsünk egy három terhelési esetből álló csoportot ugyanabban az Exclusive típusú csoportban, amelyek egy adott keresztmetszetben a következő nyomatékértékekkel rendelkeznek: {20 kNm, 30 kNm, 40 kNm}. A BIM alkalmazás ekkor a maximális nyomatékot 40 kNm-nek, a minimális nyomatékot pedig nullának értékeli ki. Ez azért van, mert ahogy korábban bemutattuk, a változó terhelések envelope kombinációjának kiértékelésekor egy további „üres", nulla kombináció is szerepel, amely azt az állapotot képviseli, amikor nem hat változó terhelés a szerkezetre.

Másrészt a midas Civil szigorúan a matematikai logikát követi az Envelope kombináció kiértékelésekor, és a minimumot 20 kNm-nek, a maximumot 40 kNm-nek értékeli ki. Más szóval, annak figyelembevételét, hogy egyetlen terhelési eset sem alkalmazható a szerkezetre, a felhasználóra bízza, aki ezt könnyen elérheti egy nulla (üres) terhelési eset hozzáadásával az Envelope kombinációhoz. Ekkor az IDEA StatiCa BIM-ben és a midas Civil-ben az Envelope kombinációból kapott eredmények azonosak lesznek. Ez természetesen ritka helyzet, mivel a hídanalízisben a változó terhelések legtöbb Envelope kombinációja olyan terhelési esetekből áll, amelyek az egyes keresztmetszetekben eltérő előjelű belső erőkkel rendelkeznek (pl. Wind_Y+; Wind_Y-). Ezekben az esetekben az IDEA StatiCa BIM-ben és a midas Civil-ben az Envelope kombinációk azonosak, és a midas Civil-ben a kombinációhoz nulla terhelési eset hozzáadása szükségtelen. A fentiek alapján a következő szabály érvényes: Ha az Envelope kombinációban szereplő egyes terhelési esetek minden erőt azonos előjellel adnak, szükséges egy nulla terhelési eset hozzáadása az Envelope kombinációhoz a midas Civil-ben.

2.6. Lineáris és envelope kombinációk kombinációkból és terhelési esetekből

A BIM alkalmazás átveszi a kombinációs szabályokat a midasCivil-ből, ezért ugyanúgy kell lineáris és envelope kombinációkat végrehajtania, ahogy azt korábban meghatározták (egy szinttel lejjebb), csakúgy, mint a midas Civil. A terhelési esetekkel való munkával ellentétben a kombinációkkal való munka során a lineáris és envelope kombinációk logikája most azonos a midas Civil Add és Envelope kombinációival. Ez azt jelenti, hogy a kombinációkból levezetett envelope-ok esetén a BIM alkalmazás mindig tisztán matematikailag értékeli ki az envelope-ot (max és min hatások). Az envelope-ok esetén már nincs különbség a standard vagy exclusive típusú csoportok között.

A 2.4. fejezet alapján az olvasóban felmerülhet a kérdés, hogy a midas Civil-ből átvitt Envelope kombinációt hogyan értékeli ki a BIM alkalmazás, ha az elemek vegyes készletéből, azaz terhelési esetekből és kombinációkból áll. Ezt ismét egy példán keresztül magyarázzuk el.

4. példa: Envelope kombinációkból és terhelési esetkészletből

Tekintsünk három terhelési esetet, LC 1, LC 2 és LC 3, amelyek azonos típusúak, tehát mindegyik egy exclusive terhelési csoportban van a BIM alkalmazásban. Emellett tekintsünk egy Add típusú C1 kombinációt a midas Civil-ben. A midas Civil-ben ezután egy C2_env Envelope kombinációt definiálnak a {C1; LC1; LC2; LC3} csoportból. A C2_env Envelope kombináció a BIM alkalmazásban ekkor tisztán envelope-ként kerül kiértékelésre, ami azt jelenti:

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

Nem történik elemek összeadása, ahogy azt a 2.4. fejezetben leírtuk, ahol az envelope elemkészlete egy exclusive terhelési csoportból és egy állandó terhelési esetből áll.

Most elemezzünk egy másik gyakori esetet az állandó terhelésekkel és envelope-okkal való munkában, amely gyakran előfordul a hídanalízisben, és kérdéseket vethet fel a BIM alkalmazásban az állandó terhelések envelope kombinációkban való kezelésének sajátosságai miatt. A példa az állandó terhelés alsó és felső értékeinek figyelembevételét foglalja magában, ahol például az alsó értékre vonatkozó tényező 1,0, a felső értékre vonatkozó terhelési tényező pedig nagyobb, mint 1,0 (jellemzően 1,35 vagy 0,85 x 1,35 = 1,15).

5. példa: Az állandó terhelés felső és alsó értékeire vonatkozó envelope figyelembevétele

Tekintsünk a midas Civil-ben egy terhelési esetet a saját súlyra, egy hőmérsékleti envelope kombinációt Temp_env, és egy mozgó terhelés envelope-ot MVL. A tervezési szabvány (Eurocode) szerint két teherbírási határállapot (ULS) terhelési kombinációt kell figyelembe venni:

•     1,0×Saját súly + 0,9×Temp_env + 1,35×MVL
•   1,35×Saját súly + 0,9×Temp_env + 1,35×MVL 

Két helyes módszer létezik a kombinációk beállítására a midas Civil és az IDEA StatiCa BIM eredményeinek egyeztetéséhez.

Az első lehetőség két különálló Add kombináció létrehozása a midas Civil-ben, amelyek lineáris kombinációként kerülnek át a BIM alkalmazásba, így elkerülhetők a 2.4. szakaszban leírt problémák.

A fent említett megoldás hátránya, hogy a midas Civil-ben megduplázódik az ULS Add kombinációk száma, egyszer 1,0-s tényezővel, egyszer 1,35-ös tényezővel. Ezért a felhasználók gyakran úgy járnak el, hogy Envelope kombinációt készítenek a saját súlyra. Az envelope helyes felépítéséhez „segéd" Add kombinációkat alkalmaznak, és a kombinációs szabályok a következők lennének:

• Add kombináció Dead_1.0 – saját súly terhelési eset, 1,0-s tényező
• Add kombináció Dead_1.35 – saját súly terhelési eset, 1,35-ös tényező
• Envelope kombináció Dead_env – két elem: {Dead_1.0; Dead_1.35}

A 3. kombinációhoz kombinációkból képzett envelope-ot alkalmaznak, ezért az IDEA StatiCa BIM-ben helyesen kerül kiértékelésre max/min envelope-ként, ellentétben azzal a helyzettel, amikor az envelope két állandó esetből kerülne létrehozásra, amelyek összeadódnának a BIM alkalmazás envelope kombinációjában. A Dead_env ezután egy Add kombinációban kerül felhasználásra a midas Civil-ben, így az ULS kombinációk száma az első megoldáshoz képest felére csökken.

 3. Munka az építési szakasz analíziséből származó állandó típusú terhelési esetekkel

Ahogy fentebb leírtuk, a BIM alkalmazásban az állandó típusú terhelési esetekkel való munka sajátossága, hogy azok mindig aritmetikailag összeadódnak, még az envelope kombinációban is. Az állandó terhelési esetek feldolgozásával kapcsolatban egy másik probléma is felmerülhet, ha a midas Civil-ben Építési Szakasz Analízist alkalmaznak. Ezt a következő szakaszban magyarázzuk el.

Például egy előfeszített híd analízise a midas Civil-ben két lépésben történik:

• Építési szakasz – Építési szakasz analízis, beleértve az előfeszítést és a reológiai hatásokat.
• Építés utáni szakasz (Post CS vagy Completed stage) – a változó terhelések (hőmérséklet, szél, forgalom, süllyedés stb.) statikai analízise a befejezett szerkezet végeselem-modelljén.

Az építési szakasz analízisének eredményei a következő terhelési esetek:

• Saját súly
• Szerelési terhelés
• Tendon Primary
• Tendon Secondary
• Creep Secondary
• Shrinkage Secondary

Például az állandó terhelések csak egy terhelési esetben szerepelnek, a saját súlyban, amely az összes szakasz kumulatív állandó terheléseit képviseli az építés végén – a végső szakaszban. Másrészt az IDEA StatiCa BIM-be való importálás után a kumulatív saját súly állapota az építési szakaszok szerint inkrementális esetekre bomlik – egy a szakasz kezdetére és egy a végére. Ez azért történik, hogy a BIM alkalmazás „reprodukálhassa" a szerkezet szakaszos számítását, és például helyesen beállíthassa az előfeszítési eljárást és a keresztmetszet kezdeti állapotát az IDEA StatiCa RCS ellenőrzéshez. Az IDEA StatiCa BIM-ben az egyes inkrementális esetek neve DL<szakasz neve>[F] a szakasz kezdetére (First step) és DL<szakasz neve>[L] a végére (Last step). Mindezek az esetek egy Saját súly nevű terhelési esetcsoportba vannak csoportosítva, ahogy az a következő képen látható.

Hasonlóképpen, a többi terhelési eset (Tendon Primary, Tendon Secondary stb.) is felosztásra kerül az IDEA StatiCa BIM-ben, és importálás után a megfelelő terhelési esetcsoportokhoz kerül hozzárendelésre. Mindezek a csoportok, amelyek az Építési Szakasz Analízis eredményeit képviselik, Permanent típusúak. A BIM alkalmazásban az egyes esetek automatikusan hozzárendelődnek a midas Civil-ből importált kombinációkhoz. Például ahol egy kumulatív saját súly terhelési esetet 1,35-ös tényezővel alkalmaztak egy midas Civil kombinációban, az IDEA StatiCa BIM-ben azt automatikusan felváltja az egyes DL<szakasz neve>[F] és DL<szakasz neve>[L] esetek teljes csoportja, mindegyik 1,35-ös tényezővel.

Azonban probléma merül fel, amikor a PostCS analízisből származó terhelési eset (változó terhelések – hőmérséklet, szél stb.) tévesen Permanent típust kap a BIM alkalmazásba való importálás után. Ez a helyzet leggyakrabban akkor fordul elő, ha a midas Civil-ben egy PostCS terhelési esethez tévesen Dead load vagy USER típus van beállítva. Az IDEA StatiCa BIM ekkor ezeket az állandó terhelési eseteket az Építési Szakasz Analízis eredményeiként kezeli, és megpróbálja „megtalálni" őket az építési szakaszok egyes lépéseit képviselő kombinációkban. Mivel ott nem szerepelnek, az IDEA StatiCa BIM nem tudja, hova helyezze őket, és keresztmetszet-ellenőrzés végrehajtásakor hibaüzenetet generál: „A kombináció nem alkalmazható keresztmetszet-tervezéshez, mert a kombinációban szereplő állandó terhelési esetek nem felelnek meg az építési szakaszokban meghatározott állandó terhelési eseteknek."

Ezek a hibák könnyen elkerülhetők az egyes terhelési esetek típusainak helyes beállításával a midas Civil-ben. Ez azt jelenti, hogy az állandó terhelési eseteket (Permanent load case) csak az Építési Szakasz Analízishez szabad használni, a változó terhelési eseteket (Transient load case) pedig a Post CS analízishez. Ekkor az IDEA StatiCa BIM-be való exportálás után a permanent típus csak a szakaszos építés eredményei számára lesz fenntartva, és a fent leírt problémák nem fognak előfordulni.