Midas Civil BIM link – logica dei casi di carico e delle combinazioni di postprocessing in IDEA StatiCa BIM

Questo testo di approfondimento è adatto a una comprensione dettagliata delle problematiche e alla risoluzione di situazioni non standard durante l'importazione da midas Civil a 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 utilizzo del collegamento BIM 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 a tre campate in post-tensione – Un esempio pratico di importazione dei risultati dal modello di calcolo di un ponte a tre campate in post-tensione con travi a T in IDEA StatiCa BIM.

1. Combinazioni in midas Civil

Midas Civil lavora con combinazioni di tipo Add ed Envelope. Come ogni utente di midas sa, le combinazioni vengono poi trattate come "livelli". 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. In questo modo vengono costruite in sequenza le combinazioni standard SLE e SLU. È importante notare che all'interno di una combinazione Envelope non viene mai eseguita alcuna somma degli effetti del carico. Tuttavia, i valori massimi e minimi degli effetti del carico vengono sempre valutati da un insieme specificato 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'app BIM lavora con quattro tipi base di combinazioni:

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

2.1. Combinazioni dipendenti dalla normativa

Le combinazioni dipendenti dalla normativa si comportano come le combinazioni envelope (vedi sotto). Tuttavia, l'app BIM genera automaticamente i fattori di carico e di combinazione in base alla descrizione normativa e alle equazioni pertinenti. Per l'Eurocode, le equazioni 6.10 o 6.10a,b vengono utilizzate per le combinazioni SLU, l'equazione 6.14b per la combinazione SLE caratteristica, l'equazione 6.15b per la combinazione SLE frequente e l'equazione 6.16b per la combinazione SLE quasi-permanente. Tuttavia, i fattori di carico e di combinazione vengono inseriti all'interno delle combinazioni definite in midas Civil. Pertanto, le combinazioni dipendenti dalla normativa non sono rilevanti durante l'importazione dei dati da midas Civil. Esse servono per importare le forze interne da altri programmi in IDEA StatiCa BIM.

2.2. Combinazioni lineari

Una combinazione lineare di casi di carico è una semplice combinazione per somma. Le forze interne dei singoli casi di carico nella combinazione vengono sommate aritmeticamente. La combinazione lineare è quindi equivalente a una combinazione di tipo Add in midas Civil.

2.3. Combinazioni envelope da casi di carico variabili

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

Come già accennato, in midas Civil i valori delle forze interne, ad esempio, non vengono mai sommati nella combinazione di tipo Envelope. I valori massimi e minimi vengono sempre valutati direttamente dai casi di carico e dalle combinazioni. Tuttavia, quando gli Envelope e i Gruppi di casi di carico vengono utilizzati correttamente in IDEA StatiCa BIM, si comportano allo stesso modo degli envelope in midas Civil. Spiegheremo questo in dettaglio più avanti.

Prima di tutto, illustriamo il funzionamento della combinazione Envelope nell'app BIM con un esempio. Ma prima è necessario spiegare il concetto di Gruppo di casi di carico. Ai fini della creazione di combinazioni Envelope in IDEA StatiCa BIM, i singoli casi di carico vengono classificati in 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 governa quindi cosa verrà e non verrà combinato nelle combinazioni lineari sommate (che poi costituiscono l'inviluppo).

 IDEA StatiCa BIM distingue sette gruppi:

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

Ai fini di questo articolo, tratteremo solo i primi tre gruppi.

Gruppo di tipo Permanent

I valori dei casi di carico Permanent sono sempre inclusi nella combinazione lineare, quindi sono presenti in ciascuna delle combinazioni lineari.

Gruppo di tipo Standard

I casi di carico del gruppo di tipo Standard possono comparire nelle singole sub-combinazioni lineari (da cui viene poi valutato l'inviluppo) singolarmente, tutti simultaneamente, 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 carico variabile, classificati nel gruppo di casi di carico di tipo Standard. La tabella seguente mostra le diverse combinazioni lineari. Come si può vedere dalla tabella, nel caso del tipo Standard, l'inviluppo sarà composto da quattro sub-combinazioni lineari.

Gruppo di tipo Exclusive

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

Esempio n. 2: Inviluppo di casi di carico variabili di tipo Exclusive

Si considerino due casi di carico di tipo carico variabile inclusi nello stesso gruppo di casi di carico di tipo Exclusive. La tabella seguente mostra le singole combinazioni lineari. Come si può vedere dalla tabella, nel caso del gruppo di tipo Exclusive, l'inviluppo conterrà tre sub-combinazioni lineari.

Applicando la combinazione di tipo Envelope ai casi di carico nel gruppo di tipo Exclusive, ciascuna delle sub-combinazioni lineari contiene un solo caso di carico, e viene aggiunta automaticamente una combinazione nulla e vuota aggiuntiva (torneremo su questo più avanti). Dal punto di vista dell'utente di midas Civil , è fondamentale notare che l'applicazione della combinazione envelope al gruppo di casi di carico di tipo Exclusive produce lo stesso risultato dell'applicazione della combinazione Envelope allo stesso gruppo di casi di carico in midas Civil. Sebbene la logica delle combinazioni sia leggermente diversa, impostando correttamente le combinazioni si ottengono risultati identici in IDEA StatiCa BIM rispetto al file sorgente di midas Civil.

Per completezza, occorre aggiungere che la combinazione envelope da due diversi gruppi di tipo Exclusive di carichi non funzionerà allo stesso modo della combinazione Envelope in midas Civil, poiché nelle sub-combinazioni lineari può comparire simultaneamente solo uno stato del primo gruppo di tipo Exclusive e uno del secondo. Pertanto, all'interno di una singola combinazione envelope, è necessario assicurarsi che tutti i casi di carico variabili siano all'interno di un unico gruppo di tipo Exclusive.

2.4. Combinazioni envelope da un insieme misto di casi di carico permanenti e variabili 

Nel software IDEA StatiCa BIM, i casi di carico Permanent vengono sempre aggiunti all'inviluppo dei casi di carico variabili nella combinazione envelope. L'app BIM implementa questa logica per garantire la compatibilità con altri programmi, come Scia Engineer.

Al contrario, la combinazione Envelope in midas Civil funzionerà sempre come un "puro inviluppo" (valutazione matematica di max e min; nulla viene sommato) dall'insieme dei casi di carico, indipendentemente dal fatto che i casi di carico inclusi siano permanenti o variabili. Pertanto, la combinazione envelope dello stesso insieme misto di casi di carico produrrà risultati diversi in midas Civil rispetto a IDEA StatiCa BIM. Lo spiegheremo con un esempio.

Esempio n. 3: Inviluppo di casi di carico variabili e permanenti in una combinazione 

Consideriamo ora tre casi di carico. I casi di carico sono assegnati a due gruppi. Il primo gruppo è di tipo Permanent e contiene il caso di carico LC 1. 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 Exclusive. Le tabelle seguenti mostrano nuovamente le singole combinazioni lineari di questi casi di carico nell'app BIM, in base al tipo assegnato al secondo gruppo di casi di carico variabili.

Dalla tabella risulta chiaro che il caso di carico permanente è incluso in ogni sub-combinazione lineare (di somma), dalla quale viene successivamente valutato l'inviluppo. Ciò porta alla regola per la creazione delle combinazioni in midas Civil – non utilizzare combinazioni Envelope 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, vale che i risultati saranno identici con una corretta preparazione del modello di calcolo in midas Civil.

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

Un'altra differenza tra midas Civil e l'app BIM emerge nella valutazione dell'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, si consideri un gruppo di tre casi di carico nello stesso gruppo di tipo Exclusive, che in una data sezione presentano i seguenti valori di momento: {20 kNm, 30 kNm, 40 kNm}. L'app BIM valuterà quindi il momento massimo come 40 kNm e il momento minimo come zero. Questo perché, come mostrato in precedenza, nella valutazione della combinazione envelope dei carichi variabili viene inclusa una combinazione aggiuntiva "vuota" e nulla, che rappresenta lo stato in cui nessun carico variabile è applicato alla struttura.

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

2.6. Combinazioni lineari ed envelope da combinazioni e casi di carico

L'app BIM adotta le regole di combinazione da midas Civil, quindi deve anche eseguire combinazioni lineari ed envelope, come definito in precedenza (un livello inferiore), proprio come midas Civil. A differenza del lavoro con i casi di carico, quando si lavora con le combinazioni, la logica delle combinazioni lineari ed envelope è ora identica alle combinazioni Add ed Envelope in midas Civil. Ciò significa che per gli inviluppi derivati da combinazioni, l'app BIM valuta sempre l'inviluppo in modo puramente matematico (effetti max e min). Non vi è più distinzione tra gruppi di tipo standard o exclusive per gli inviluppi.

Sulla base del Capitolo 2.4, il lettore potrebbe chiedersi come verrà valutata nell'app BIM una combinazione Envelope, trasferita da midas Civil, se è creata da un insieme misto di elementi, ovvero da casi di carico e combinazioni. Spieghiamo questo nuovamente con un esempio.

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

Si considerino tre casi di carico, LC 1, LC 2 e LC 3, che sono dello stesso tipo, quindi si trovano tutti in un gruppo di carico exclusive nell'app BIM. Si consideri inoltre una combinazione di tipo Add C1 in midas Civil. In midas Civil viene quindi definita una combinazione Envelope C2_env dall'insieme {C1; LC1; LC2; LC3}. La combinazione Envelope C2_env nell'app BIM verrà quindi valutata puramente come inviluppo, ovvero:

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

Non vi sarà alcuna somma degli elementi, come descritto nel Capitolo 2.4, dove l'insieme envelope degli elementi comprende un gruppo di carico exclusive 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 della gestione dei carichi permanenti nelle combinazioni envelope nell'app BIM. L'esempio riguarda la considerazione dei 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 × 1,35 = 1,15).

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

Si consideri in midas Civil un caso di carico per il peso proprio, una combinazione envelope termica Temp_env e un inviluppo di carico mobile MVL. Secondo la normativa di progetto (Eurocode), è necessario considerare due combinazioni di carico allo Stato Limite Ultimo (SLU):

•     1,0×Peso proprio + 0,9×Temp_env + 1,35×MVL
•   1,35×Peso proprio + 0,9×Temp_env + 1,35×MVL 

Esistono due modi corretti per impostare le combinazioni in modo da far corrispondere i risultati in midas Civil e IDEA StatiCa BIM.

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

Lo svantaggio della soluzione sopra descritta è che porta a un numero doppio di combinazioni Add SLU in midas Civil, una con fattore 1,0 e una con 1,35. Pertanto, gli utenti spesso procedono preparando una combinazione Envelope per il peso proprio. Per costruire correttamente l'inviluppo, vengono utilizzate combinazioni Add "ausiliarie" e le regole di combinazione sarebbero le seguenti:

• Combinazione Add Dead_1.0 – caso di carico Peso proprio, fattore 1,0
• Combinazione Add Dead_1.35 – caso di carico Peso proprio, fattore 1,35
• Combinazione Envelope Dead_env – due elementi: {Dead_1.0; Dead_1.35}

Per la combinazione n. 3 viene utilizzato un inviluppo da combinazioni, quindi verrà 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 envelope dell'app BIM. La Dead_env viene quindi utilizzata in una combinazione Add in midas Civil, riducendo così il numero di combinazioni SLU della metà rispetto alla prima soluzione.

 3. Lavoro con i casi di carico di tipo permanente dall'analisi per fasi costruttive

Come descritto in precedenza, la specificità del lavoro con i casi di carico di tipo permanente nell'app BIM è che vengono sempre sommati aritmeticamente, anche nella combinazione envelope. Un altro problema con l'elaborazione dei casi di carico permanenti può sorgere se in midas Civil viene utilizzata l'analisi per fasi costruttive. Questo verrà spiegato nella sezione seguente.

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

• Fase costruttiva – Analisi per fasi costruttive, inclusi gli effetti della post-tensione e reologici.
• Fase post-costruttiva (Post CS o Completed stage) – analisi statica dei carichi variabili (temperatura, vento, traffico, cedimenti, ecc.) sul modello a elementi finiti della struttura completata.

I seguenti casi di carico sono i risultati dell'analisi per fasi costruttive:

• Dead load
• Erection load
• Tendon Primary
• Tendon Secondary
• Creep Secondary
• Shrinkage Secondary

Ad esempio, i carichi permanenti sono inclusi in un solo caso di carico, Dead load, che rappresenta i carichi permanenti cumulativi di tutte le fasi al termine della costruzione – la fase finale. D'altra parte, dopo essere stato importato in IDEA StatiCa BIM, lo stato cumulativo del peso proprio viene suddiviso in casi incrementali in base alle fasi costruttive – uno per l'inizio e uno per la fine di ogni fase. Questo viene fatto in modo che l'app BIM possa "replicare" il calcolo per fasi della struttura e, ad esempio, impostare correttamente la procedura di post-tensione e lo stato iniziale della sezione trasversale per la verifica con IDEA StatiCa RCS. I singoli casi incrementali in IDEA StatiCa BIM sono denominati DL<nome fase>[F] per l'inizio (First step) della fase e DL<nome fase>[L] per la fine (Last step). Tutti questi casi sono raggruppati in un gruppo di casi di carico denominato Dead load, come mostrato nell'immagine seguente.

Analogamente, altri casi di carico (Tendon Primary, Tendon Secondary, ecc.) vengono suddivisi in IDEA StatiCa BIM e, dopo l'importazione, assegnati ai corrispondenti gruppi di casi di carico. Tutti questi gruppi, che rappresentano i risultati dell'analisi per fasi costruttive, sono di tipo Permanent. I singoli casi nell'app BIM vengono automaticamente assegnati alle combinazioni importate da midas Civil. Ad esempio, dove nella combinazione di midas Civil veniva utilizzato un caso di carico Dead load cumulativo con un fattore di 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 un fattore di 1,35.

Tuttavia, si presenta un problema quando a un caso di carico dell'analisi PostCS (carichi variabili – temperatura, vento, ecc.) viene erroneamente assegnato il tipo Permanent dopo l'importazione nell'app BIM. Questa situazione si verifica più comunemente se il tipo Dead load o USER viene impostato in modo errato per un caso di carico PostCS in midas Civil. IDEA StatiCa BIM tratta quindi questi casi di carico permanenti come risultati dell'analisi per fasi costruttive e tenta di "trovarli" nelle combinazioni che rappresentano i singoli passi della costruzione per fasi. Poiché non vi sono presenti, IDEA StatiCa BIM non sa dove collocarli e, durante la verifica della sezione trasversale, genera un messaggio di errore: "La combinazione non è applicabile per la verifica della sezione trasversale perché i casi di carico permanenti contenuti in questa combinazione non corrispondono ai casi di carico permanenti definiti nelle fasi costruttive."

Questi errori possono essere facilmente evitati impostando correttamente i tipi per i 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 per fasi costruttive, mentre i casi di carico variabili (Transient load case) devono essere utilizzati per l'analisi Post CS. In tal modo, dopo l'esportazione in IDEA StatiCa BIM, il tipo permanente sarà riservato solo ai risultati della costruzione per fasi e i problemi descritti in precedenza non si verificheranno.