Collegamento Midas Civil BIM - Logica dei casi di carico e delle combinazioni post-elaborazione in IDEA StatiCa BIM

Questo testo di estensione è adatto per una comprensione dettagliata dei problemi e per risolvere situazioni non standard durante l'importazione midas Civil - IDEA StatiCa. Questo articolo fa parte di una serie di tre articoli che trattano in modo esaustivo la questione dell'importazione delle forze interne in IDEA StatiCa BIM da midas Civil. Gli altri due articoli sono i seguenti:

• Midas Civil BIM link - preparazione del modello di calcolo - Questo articolo definisce i principi di lavoro con un BIM link e, in particolare, le linee guida per la preparazione di un modello di calcolo in midas Civil.
• Midas Civil BIM link per la progettazione di un ponte post-teso a tre campate - Un esempio pratico di importazione dei risultati del modello di calcolo di un ponte precompresso a tre campate con travi a T in IDEA StatiCa BIM.

1. Combinazioni in midas Civil

Midas Civil lavora con combinazioni di tipo Add e Envelope. Come ogni utente di midas sa, le combinazioni vengono trattate come "layer". Ogni combinazione di tipo Add o Envelope definita in un livello (N-1) può essere utilizzata per definire un insieme di elementi combinati in una combinazione di tipo Add o Envelope nel livello N. È così che vengono costruite in sequenza le combinazioni standard SLS e ULS. È importante notare che in una combinazione di inviluppi non viene mai eseguita la somma degli effetti di carico. Tuttavia, gli effetti di carico massimo e minimo sono sempre valutati a partire da un insieme specifico di casi di carico e combinazioni di carico definiti nel livello precedente.

2. Combinazioni in IDEA StatiCa BIM

Descriviamo ora la logica di base della combinazione dei casi di carico in IDEA StatiCa BIM. L'applicazione BIM lavora con quattro tipi di combinazioni di base:

• Eurocodice (6.10)
• Eurocodice (6.10 a,b)
• Inviluppo
• Lineare

2.1. Combinazioni dipendenti dal codice

Le combinazioni dipendenti dal codice si comportano come le combinazioni dell'involucro (vedi sotto). Tuttavia, l'applicazione BIMa genera automaticamente i fattori di carico e di combinazione in base alla descrizione del codice e alle equazioni pertinenti. Per l'Eurocodice, si utilizzano le equazioni 6.10 o 6.10a,b per le combinazioni ULS, l'equazione 6.14b per lo SLS caratteristico, l'equazione 6.15b per lo SLS frequente e l'equazione 6.16b per la combinazione SLS quasi-permanente. Tuttavia, i fattori di carico e di combinazione sono inseriti all'interno delle combinazioni definite in midas Civil. Pertanto, le combinazioni dipendenti dal codice non sono rilevanti quando si importano i dati da midas Civil. Sono qui per importare le forze interne da altri programmi a IDEA StatiCa BIM.

2.2. Combinazioni lineari

Una combinazione lineare di casi di carico è una combinazione a somma semplice. Le forze interne dei singoli casi di carico della combinazione vengono sommate aritmeticamente. La combinazione lineare è quindi equivalente a una combinazione di tipo Add nel Midas Civil.

2.3. Combinazioni di inviluppo da casi di carico variabili

D'altra parte, il significato della combinazione di tipo Inviluppo in IDEA StatiCa BIM e della combinazione di tipo Inviluppo in midas Civil è significativamente diverso quando si lavora con i casi di carico. Una combinazione di inviluppi di casi di carico in IDEA StatiCa BIM è un inviluppo di combinazioni lineari che vengono generate in base a una regola di combinazione e alla classificazione dei casi di carico in gruppi di casi di carico. Pertanto, all'interno dell'inviluppo di combinazioni viene prima generato un insieme di combinazioni lineari sommate individuali. Quindi, i massimi e i minimi vengono valutati da questo insieme, ovvero l'inviluppo dei massimi e dei minimi.

Come già accennato, in midas Civil, i valori delle forze interne, ad esempio, non vengono mai aggiunti nella combinazione di tipo Inviluppo. Tuttavia, i valori massimi e minimi sono sempre valutati direttamente dai casi di carico e dalle combinazioni. Tuttavia, quando gli inviluppi e i gruppi di casi di carico sono utilizzati correttamente in IDEA StatiCa BIM, si comportano allo stesso modo degli inviluppi in midas Civil. Tuttavia, lo spiegheremo in dettaglio più avanti.

Innanzitutto, illustriamo la funzione della combinazione di inviluppi nell'applicazione BIM con un esempio. Prima però è necessario spiegare il concetto di Gruppo di casi di carico. Per creare combinazioni di involucri in IDEA StatiCa BIM, i singoli casi di carico vengono classificati nei cosiddetti Gruppi di casi di carico. Ogni gruppo di casi di carico, e quindi tutti i casi di carico in esso inclusi, ha un parametro importante chiamato Tipo. Il Tipo di un gruppo di casi di carico definisce le interrelazioni tra i casi e quindi regola ciò che sarà o non sarà combinato con ciò che è nelle combinazioni lineari sommate (che poi costituiscono l'inviluppo).

IDEA StatiCa BIM distingue sette gruppi:

• Permanente
• Standard
• Esclusivo
• Fatica, esclusivo
• Accidentale, standard
• Accidentale, esclusivo
• Sismico, esclusivo.

Ai fini di questo articolo, ci occuperemo solo dei primi tre gruppi.

Gruppo di tipo permanente

I valori dei casi di carico permanenti sono sempre inclusi nella combinazione lineare, quindi sono presenti in ogni combinazione lineare.

Gruppo tipo Standard

I casi di carico del gruppo di tipo Standard possono essere presenti nelle singole combinazioni sub-lineari (da cui viene poi valutato l'inviluppo) da soli, tutti contemporaneamente o solo un sottoinsieme di essi. Tutte le possibili varianti di "co-occorrenza" dei casi di carico vengono generate automaticamente.

Esempio n. 1: Inviluppo di casi di carico variabili di tipo Standard

Si considerino due casi di carico di tipo variabile, classificati nel gruppo dei casi di carico di tipo Standard. La tabella seguente mostra le diverse combinazioni lineari. Come si può notare dalla tabella, nel caso del tipo Standard, l'inviluppo sarà costituito da quattro sottocombinazioni lineari.

Gruppo di tipo esclusivo

Per i casi di carico del gruppo di tipo Esclusivo, in ogni combinazione lineare viene utilizzato un solo caso di carico del gruppo.

Esempio n. 2: Inviluppo di casi di carico variabili di tipoesclusivo

Consideriamo due casi di carico di tipo variabile inclusi nello stesso gruppo di casi di carico di tipo Esclusivo. La tabella seguente mostra le singole combinazioni lineari. Come si può notare dalla tabella, nel caso del gruppo di tipo Esclusivo, l'inviluppo conterrà tre sottocombinazioni lineari.

Quando si applica la combinazione di tipo Inviluppo ai casi di carico del gruppo di tipo Esclusivo, ciascuna delle sottocombinazioni lineari contiene un solo caso di carico e viene aggiunta automaticamente un'ulteriore combinazione nulla, vuota (torneremo su questo punto più avanti). Dal punto di vista dell'utente di midas Civil , è fondamentale notare che l'applicazione della combinazione inviluppo al gruppo di casi di carico di tipo Esclusivo produce lo stesso risultato dell'applicazione della combinazione Inviluppo all'identico gruppo di casi di carico in midas Civil. Sebbene la logica delle combinazioni sia leggermente diversa, impostando correttamente le combinazioni, in IDEA StatiCa BIM si ottengono risultati identici a quelli del file midas Civil di partenza.

Per completezza, occorre aggiungere che la combinazione di inviluppi di due diversi gruppi di carichi di tipo Esclusivo non funzionerà come la combinazione di inviluppi in midas Civil perché, nelle sottocombinazioni lineari, possono comparire contemporaneamente solo uno stato del primo gruppo di tipo Esclusivo e uno del secondo. Pertanto, all'interno di una singola combinazione di inviluppi, è necessario assicurarsi che tutti i casi di carico variabile rientrino in un gruppo di tipo Esclusivo.

2.4. Combinazioni di inviluppi da un insieme misto di casi di carico permanente e variabile

Nel software IDEA StatiCa BIM, i casi di carico permanente vengono sempre aggiunti all'involucro dai casi di carico variabile nella combinazione di involucri. L'applicazione BIM implementa questa logica per garantire la compatibilità con altri programmi, come Scia Engineer.

Al contrario, la combinazione di inviluppi in midas Civil funzionerà sempre come un "inviluppo puro" (valutazione matematica di massimo e minimo; non viene aggiunto nulla) dall'insieme dei casi di carico, indipendentemente dal fatto che i casi di carico inclusi siano permanenti o variabili. Pertanto, la combinazione di inviluppi dello stesso insieme misto di casi di carico darà risultati diversi in midas Civil rispetto a IDEA StatiCa BIM. Lo spieghiamo con un esempio.

Esempio n. 3: Inviluppo di casi di carico variabili e permanenti in un'unica combinazione

Consideriamo ora tre casi di carico. I casi di carico sono assegnati a due gruppi. Il primo gruppo è di tipo permanente e contiene il caso di carico LC 1. Gli altri due casi di carico, LC 2 e LC 3, sono variabili e hanno un inviluppo di tipo permanente. Gli altri due casi di carico, LC 2 e LC 3, sono variabili e sono assegnati al secondo gruppo di casi di carico, di tipo Standard o Esclusivo. Le tabelle seguenti mostrano nuovamente le singole combinazioni lineari di questi casi di carico nell'applicazione BIM, a seconda del tipo assegnato al secondo gruppo di casi di carico variabili.

Dalla tabella, è chiaro che il caso di carico permanente è incluso in ogni sottocombinazione lineare (somma), dalla quale viene successivamente valutato l'involucro. Questo porta alla regola per la creazione di combinazioni in Midas Civil: non utilizzare combinazioni di inviluppo su un insieme di casi di carico in cui sono presenti sia casi di carico permanenti che variabili, o solo casi di carico permanenti! Questa regola può essere facilmente rispettata e, ancora una volta, è vero che i risultati saranno identici con una corretta preparazione del modello di calcolo in midas Civil.

2.5. Combinazioni di inviluppi da casi di carico con lo stesso segno

Un'altra differenza tra midas Civil e l'applicazione BIM si presenta quando si valuta l'inviluppo da un insieme di casi di carico variabili con lo stesso segno per le forze interne. In altre parole, in una sezione specifica, le forze interne dei singoli casi di carico hanno sempre lo stesso segno. Naturalmente, il segno può cambiare lungo la lunghezza della struttura.

Ad esempio, consideriamo un gruppo di tre casi di carico dello stesso gruppo di tipo Esclusivo, che in una determinata sezione hanno i seguenti valori di momento: {20 kNm, 30 kNm, 40 kNm}. BIM app valuterà il momento massimo come 40 kNm e il momento minimo come zero. Questo perché, come mostrato in precedenza, quando si valuta la combinazione di inviluppi di carichi variabili, viene inclusa un'ulteriore combinazione "vuota", pari a zero, che rappresenta lo stato in cui nessun carico variabile viene applicato alla struttura.

D'altra parte, midas Civil segue rigorosamente la logica matematica quando valuta la combinazione di inviluppo e valuterà il minimo come 20 kNm e il massimo come 40 kNm. In altre parole, la considerazione che nessun caso di carico può essere applicato alla struttura è lasciata all'utente, che può facilmente ottenerla aggiungendo un caso di carico nullo (vuoto) alla combinazione di inviluppo. In questo modo, i risultati della combinazione di inviluppi in IDEA StatiCa BIM e midas Civil saranno identici. Naturalmente, questa è una situazione rara, poiché la maggior parte delle combinazioni di inviluppo di carichi variabili nell'analisi dei ponti è costituita da casi di carico con segni diversi di forze interne nelle singole sezioni (ad esempio, Vento_Y+; Vento_Y-). In questi casi, le combinazioni di inviluppo in IDEA StatiCa BIM e midas Civil sono identiche e l'aggiunta di un caso di carico nullo alla combinazione in midas Civil non è necessaria. Sulla base di quanto sopra, si applica la seguente regola: Se i singoli casi di carico nella combinazione Envelope in midas Civil danno tutte le forze con lo stesso segno, è necessario aggiungere un caso di carico zero alla combinazione Envelope.

2.6. Combinazioni lineari e inviluppo da combinazioni e casi di carico

L'applicazione BIM adotta le regole di combinazione di midas Civil, quindi deve anche eseguire combinazioni lineari e di inviluppo, come definito in precedenza (un livello inferiore), proprio come midas Civil. A differenza del lavoro con i casi di carico quando si tratta di combinazioni, la logica delle combinazioni lineari e di inviluppo è ora identica a quella delle combinazioni Add e Envelope di midas Civil. Ciò significa che per gli inviluppi derivati dalle combinazioni, l'applicazione BIM valuta sempre l'inviluppo in modo puramente matematico (effetti max e min). Non esiste più una distinzione tra gruppi di tipi standard o esclusivi per gli inviluppi.

Sulla base del capitolo 2.4, il lettore potrebbe chiedersi come una combinazione di inviluppi, trasferita da midas Civil, sarà valutata nell'applicazione BIM se è creata da un insieme misto di elementi, cioè da casi di carico e combinazioni. Spieghiamolo ancora una volta con un esempio.

Esempio n. 4: Inviluppo da combinazioni e set di casi di carico

Consideriamo tre casi di carico, LC 1, LC 2 e LC 3, che sono dello stesso tipo, quindi sono tutti in un gruppo di carico esclusivo nell'applicazione BIM. Inoltre, consideriamo una combinazione di tipo Add C1 in midas Civil. In midas Civil, una combinazione di inviluppo C2_env è definita dal gruppo {C1; LC1; LC2; LC3}. La combinazione di inviluppi C2_env nell'applicazione BIM sarà quindi valutata solo come un inviluppo, il che significa:

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

Non ci saranno aggiunte di elementi, come descritto nel Capitolo 2.4, dove l'insieme degli elementi dell'inviluppo comprende un gruppo di carico esclusivo e un caso di carico permanente.

Analizziamo ora un altro caso comune di lavoro con carichi permanenti e inviluppi, che si verifica spesso nell'analisi dei ponti e che potrebbe sollevare domande a causa delle specificità del modo in cui i carichi permanenti vengono gestiti nelle combinazioni di inviluppi nell'applicazione BIM. L'esempio prevede di considerare i valori inferiore e superiore del carico permanente, dove, ad esempio, il fattore per il valore inferiore è 1,0 e per il valore superiore, il fattore di carico è maggiore di 1,0 (tipicamente 1,35 o 0,85 x 1,35 = 1,15).

Esempio n. 5: Considerazione dell'inviluppo per i valori superiore e inferiore del carico permanente

Consideriamo in midas Civil un caso di carico morto, una combinazione di involucro termico Temp_env e un involucro di carico mobile MVL. Secondo il codice di progettazione (Eurocodice), è necessario tenere conto di due combinazioni di carico allo stato limite ultimo (ULS):

• 1,0×Carico morto + 0,9×Temp_env + 1,35×MVL
• 1,35×Carico morto + 0,9×Temp_env + 1,35×MVL

Esistono due modi corretti per impostare le combinazioni in modo che corrispondano ai risultati in midas Civil e IDEA StatiCa BIM.

La prima opzione consiste nel creare due combinazioni Add separate in midas Civil, che saranno trasferite all'applicazione BIM come combinazioni lineari, evitando così i problemi descritti nella Sezione 2.4.

Lo svantaggio di questa soluzione è che porta a raddoppiare il numero di combinazioni ULS Add in midas Civil, una volta con un fattore 1,0 e una seconda con 1,35. Pertanto, gli utenti spesso procedono preparando una combinazione di inviluppo per il carico morto. Per costruire correttamente l'inviluppo, si utilizzano combinazioni Add "ausiliarie" e le regole di combinazione sono le seguenti:

• Combinazione di aggiunta Carico permanente_1.0 - caso di carico Carico morto, fattore 1.0
• Combinazione di aggiunta Dead_1.35 - caso di carico Carico morto, fattore 1,35
• Combinazione di inviluppo Dead_env - due elementi: {Morto_1.0; Morto_1.35}

Per la combinazione n. 3, viene utilizzato un inviluppo da combinazioni, in modo che venga valutato correttamente in IDEA StatiCa BIM come inviluppo max/min, a differenza della situazione in cui un inviluppo verrebbe creato da due casi permanenti, che verrebbero sommati nella combinazione di inviluppi dell'applicazione BIM. Il Dead_env viene poi utilizzato in una combinazione Add in Midas Civil, quindi il numero di combinazioni ULS si riduce della metà rispetto alla prima soluzione.

3. Lavorare con i casi di carico di tipo permanente dell'Analisi in fase di costruzione

Come descritto in precedenza, la specificità di lavorare con i casi di carico di tipo permanente nell'applicazione BIM è che vengono sempre sommati aritmeticamente, anche nella combinazione di inviluppi. Un altro problema nell'elaborazione dei casi di carico permanenti può sorgere se si utilizza la Construction Stage Analysis in midas Civil. Questo verrà spiegato nella sezione seguente.

L'analisi, ad esempio, di un ponte precompresso in midas Civil viene eseguita in due fasi:

• Fase di costruzione - Analisi della fase di costruzione, compresi gli effetti di precompressione e reologici.
• Fase post-costruzione (Post CS o Fase completata) - analisi statica dei carichi variabili (temperatura, vento, traffico, assestamento, ecc.) sul modello a elementi finiti della struttura completata.

I seguenti casi di carico sono i risultati dell'analisi della fase di costruzione:

• Carico permanente
• Carico di montaggio
• Cavo primario
• Cavo secondario
• Creep secondario
• Ritiro secondario

Ad esempio, i carichi permanenti sono inclusi solo in un caso di carico, Carico morto, che rappresenta i carichi permanenti cumulativi di tutte le fasi alla fine della costruzione - la fase finale. D'altra parte, dopo essere stato importato nel BIM IDEA StatiCa, lo stato cumulativo dei carichi morti viene suddiviso in casi incrementali in base alle fasi di costruzione - uno per l'inizio e uno per la fine di ogni fase. In questo modo l'applicazione BIM può "replicare" il calcolo a tappe della struttura e, ad esempio, impostare correttamente la procedura di precompressione e lo stato iniziale della sezione trasversale per la verifica RCS di IDEA StatiCa. I singoli casi incrementali in IDEA StatiCa BIM sono denominati DL<nome fase>[F] per l'inizio (primo passo) della fase e DL<nome fase>[L] per la fine (ultimo passo). Tutti questi casi sono raggruppati in un gruppo di casi di carico denominato Carico morto, come mostrato nell'immagine seguente.

Allo stesso modo, gli altri casi di carico (Tendine primario, Tendine secondario, ecc.) vengono suddivisi in IDEA StatiCa BIM e, dopo l'importazione, assegnati ai gruppi di casi di carico corrispondenti. Tutti questi gruppi, che rappresentano i risultati dell'analisi della fase di costruzione, sono di tipo permanente. I singoli casi nell'applicazione BIM sono assegnati automaticamente alle combinazioni importate da midas Civil. Ad esempio, se in una combinazione midas Civil è stato utilizzato un caso di carico cumulativo Dead con fattore 1,35, in IDEA StatiCa BIM viene automaticamente sostituito dall'intero gruppo di casi individuali DL<nome fase>[F] e DL<nome fase>[L], tutti con fattore 1,35.

Tuttavia, si verifica un problema quando a un caso di carico dell'analisi PostCS (carichi variabili - temperatura, vento, ecc.) viene assegnato erroneamente il tipo permanente dopo l'importazione nell'applicazione BIM. Questa situazione si verifica più comunemente se il tipo Carico morto o UTENTE è impostato in modo errato per un caso di carico PostCS in midas Civil. IDEA StatiCa BIM tratta quindi questi casi di carico permanente come risultati dell'analisi della fase di costruzione e cerca di "trovarli" nelle combinazioni che rappresentano le singole fasi della costruzione a tappe. Poiché non sono presenti, IDEA StatiCa BIM non sa dove collocarli e, quando esegue una verifica della sezione trasversale, genera un messaggio di errore: "La combinazione non è applicabile per la progettazione della sezione trasversale perché i casi di carico permanente contenuti in questa combinazione non corrispondono ai casi di carico permanente definiti nelle fasi di costruzione".

Questi errori possono essere facilmente evitati impostando correttamente i tipi dei singoli casi di carico in midas Civil. Ciò significa che i casi di carico permanenti (Permanent load case) devono essere utilizzati solo per l'analisi in fase di costruzione, mentre i casi di carico variabili (Transient load case) devono essere utilizzati per l'analisi Post CS. In questo modo, dopo l'esportazione in IDEA StatiCa BIM, il tipo permanente sarà riservato solo ai risultati della costruzione a tappe e non si verificheranno i problemi descritti sopra.