Midas Civil BIM link – lógica de casos de carga e combinações de pós-processamento no IDEA StatiCa BIM

Este texto de extensão é adequado para uma compreensão detalhada das questões e para resolver situações não padronizadas durante a importação midas Civil – IDEA StatiCa. Este artigo faz parte de uma série de três artigos que cobrem de forma abrangente a questão da importação de forças internas para o IDEA StatiCa BIM a partir do midas Civil. Os outros dois artigos são os seguintes:

• Midas Civil BIM link – preparação do modelo de cálculo – Este artigo define os princípios de trabalho com uma ligação BIM e, em particular, as diretrizes para a preparação de um modelo de cálculo no midas Civil.
• Midas Civil BIM link para dimensionamento de ponte de três vãos com pós-tensão – Um exemplo prático de importação de resultados do modelo de cálculo de uma ponte de viga em T, pré-esforçada e de três vãos, para o IDEA StatiCa BIM.

1. Combinações no midas Civil

O midas Civil trabalha com combinações do tipo Add e Envelope. Como qualquer utilizador do midas sabe, as combinações são tratadas como "camadas". Cada combinação do tipo Add ou Envelope definida numa camada (N-1) pode ser utilizada para definir um conjunto de itens combinados numa combinação do tipo Add ou Envelope na camada N. É assim que as combinações padrão SLS e ULS são construídas em sequência. É importante notar que nunca é efetuada qualquer soma de efeitos de ações dentro de uma combinação Envelope. No entanto, os valores máximos e mínimos dos efeitos de ações são sempre avaliados a partir de um conjunto especificado de casos de carga e combinações de carga definidos na camada anterior.

2. Combinações no IDEA StatiCa BIM

Passemos agora a descrever a lógica básica de combinação de casos de carga no IDEA StatiCa BIM. A aplicação BIM trabalha com quatro tipos básicos de combinações:

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

2.1. Combinações dependentes da norma

As combinações dependentes da norma comportam-se da mesma forma que as combinações envelope (ver abaixo). No entanto, a aplicação BIM gera automaticamente fatores de carga e de combinação de acordo com a descrição da norma e as equações relevantes. Para o Eurocode, as equações 6.10 ou 6.10a,b são utilizadas para combinações ULS, a equação 6.14b para a combinação SLS característica, a equação 6.15b para a combinação SLS frequente e a equação 6.16b para a combinação SLS quase-permanente. No entanto, os fatores de carga e de combinação são introduzidos nas combinações definidas no midas Civil. Assim, as combinações dependentes da norma não são relevantes ao importar dados do midas Civil. Existem para importar forças internas de outros programas para o IDEA StatiCa BIM.

2.2. Combinações lineares

Uma combinação linear de casos de carga é uma combinação de soma simples. As forças internas dos casos de carga individuais na combinação são somadas aritmeticamente. A combinação linear é, portanto, equivalente a uma combinação do tipo Add no midas Civil.

2.3. Combinações envelope de casos de carga variáveis

Por outro lado, o significado da combinação do tipo Envelope no IDEA StatiCa BIM e da combinação do tipo Envelope no midas Civil é significativamente diferente quando se trabalha com casos de carga. Uma combinação envelope de casos de carga no IDEA StatiCa BIM é um envelope de combinações lineares geradas com base numa regra de combinação e na classificação dos casos de carga em grupos de casos de carga. Assim, um conjunto de combinações lineares somadas individualmente é primeiro gerado dentro da combinação Envelope. De seguida, os máximos e mínimos são avaliados a partir deste conjunto – ou seja, o envelope máximo e mínimo.

Como já foi referido, no midas Civil, os valores das forças internas, por exemplo, nunca são somados na combinação do tipo Envelope. No entanto, os valores máximos e mínimos são sempre avaliados diretamente a partir dos casos de carga e combinações. Contudo, quando os Envelopes e os Grupos de Casos de Carga são utilizados corretamente no IDEA StatiCa BIM, comportam-se da mesma forma que os envelopes no midas Civil. Explicaremos isto em detalhe mais adiante.

Primeiro, vamos ilustrar a função da Combinação Envelope na aplicação BIM através de um exemplo. Mas antes disso, é necessário explicar o conceito de Grupo de Casos de Carga. Para efeitos de criação de Combinações Envelope no IDEA StatiCa BIM, os casos de carga individuais são categorizados nos chamados Grupos de Casos de Carga. Cada grupo de casos de carga, e portanto todos os casos de carga nele incluídos, tem um parâmetro importante denominado Tipo. O Tipo de um grupo de casos de carga define as inter-relações entre os casos e, assim, determina o que será e o que não será combinado nas combinações lineares somadas (que depois constituem o envelope).

 O IDEA StatiCa BIM distingue sete grupos:

• Permanente
• Standard
• Exclusivo
• Fadiga, exclusivo
• Acidental, standard
• Acidental, exclusivo
• Sísmico, exclusivo.

Para os fins deste artigo, trataremos apenas dos três primeiros grupos.

Grupo do tipo Permanente

Os valores dos casos de carga Permanentes são sempre incluídos na combinação linear, pelo que estão presentes em cada uma das combinações lineares.

Grupo do tipo Standard

Os casos de carga do grupo do tipo Standard podem ocorrer nas subcombinações lineares individuais (a partir das quais o envelope é depois avaliado) isoladamente, todos simultaneamente, ou apenas um subconjunto deles. Todas as variantes possíveis de "coocorrência" de casos de carga são geradas automaticamente.

Exemplo n.º 1: Envelope de casos de carga variáveis do tipo Standard

Considere dois casos de carga do tipo carga variável, classificados no grupo de casos de carga do tipo Standard. A tabela abaixo mostra as diferentes combinações lineares. Como se pode observar na tabela, no caso do tipo Standard, o envelope será composto por quatro subcombinações lineares.

Grupo do tipo Exclusivo

Para os casos de carga do grupo do tipo Exclusivo, é utilizado apenas um caso de carga do grupo em cada combinação linear.

Exemplo n.º 2: Envelope de casos de carga variáveis do tipo Exclusivo

Considere dois casos de carga do tipo carga variável incluídos no mesmo grupo de casos de carga do tipo Exclusivo. A tabela abaixo mostra as combinações lineares individuais. Como se pode observar na tabela, no caso do grupo do tipo Exclusivo, o envelope conterá três subcombinações lineares.

Ao aplicar a combinação do tipo Envelope aos casos de carga do grupo do tipo Exclusivo, cada uma das subcombinações lineares contém apenas um caso de carga, sendo automaticamente adicionada uma combinação nula e vazia (voltaremos a este ponto mais adiante). Do ponto de vista do utilizador do midas Civil, é fundamental notar que a aplicação da combinação envelope ao grupo de casos de carga do tipo Exclusivo produz o mesmo resultado que a aplicação da combinação Envelope ao grupo idêntico de casos de carga no midas Civil. Embora a lógica das combinações seja ligeiramente diferente, ao configurar corretamente as combinações, obtêm-se resultados idênticos no IDEA StatiCa BIM e no ficheiro fonte do midas Civil.

Para completar, deve também acrescentar-se que a combinação envelope de dois grupos diferentes do tipo Exclusivo de cargas não funcionará da mesma forma que a combinação Envelope no midas Civil, porque nas subcombinações lineares apenas pode aparecer simultaneamente um estado do primeiro grupo do tipo Exclusivo e um do segundo. Por isso, dentro de uma única combinação envelope, é necessário garantir que todos os casos de carga variáveis se encontram num único grupo do tipo Exclusivo.

2.4. Combinações envelope de um conjunto misto de casos de carga permanentes e variáveis 

No software IDEA StatiCa BIM, os casos de carga Permanentes são sempre adicionados ao envelope dos casos de carga variáveis na combinação envelope. A aplicação BIM implementa esta lógica para garantir a compatibilidade com outros programas, como o Scia Engineer.

Em contrapartida, a combinação Envelope no midas Civil funcionará sempre como um "envelope puro" (avaliação matemática de máximos e mínimos; nada é adicionado) a partir do conjunto de casos de carga, independentemente de os casos de carga incluídos serem permanentes ou variáveis. Assim, a combinação envelope do mesmo conjunto misto de casos de carga produzirá resultados diferentes no midas Civil e no IDEA StatiCa BIM. Explicaremos isto com um exemplo.

Exemplo n.º 3: Envelope de casos de carga variáveis e permanentes numa única combinação 

Consideremos agora três casos de carga. Os casos de carga são atribuídos a dois grupos. O primeiro grupo é do tipo Permanente e contém o caso de carga LC 1. Os outros dois casos de carga, LC 2 e LC 3, são variáveis e são atribuídos ao segundo grupo de casos de carga, do tipo Standard ou Exclusivo. As tabelas abaixo mostram novamente as combinações lineares individuais destes casos de carga na aplicação BIM, dependendo do tipo atribuído ao segundo grupo de casos de carga variáveis.

Da tabela, é claro que o caso de carga permanente está incluído em cada subcombinação linear (de soma), a partir da qual o envelope é posteriormente avaliado. Isto conduz à regra para a criação de combinações no midas Civil – não utilizar combinações Envelope num conjunto de casos de carga onde estejam presentes tanto casos de carga permanentes como variáveis, ou apenas casos de carga permanentes! Esta regra pode ser facilmente respeitada e, novamente, é válido que os resultados serão idênticos com uma preparação adequada do modelo de cálculo no midas Civil.

2.5. Combinações envelope de casos de carga com o mesmo sinal

Outra diferença entre o midas Civil e a aplicação BIM surge ao avaliar o envelope a partir de um conjunto de casos de carga variáveis com o mesmo sinal para as forças internas. Por outras palavras, numa secção específica, as forças internas dos casos de carga individuais têm sempre o mesmo sinal. Naturalmente, o sinal pode mudar ao longo do comprimento da estrutura.

Por exemplo, consideremos um grupo de três casos de carga no mesmo grupo do tipo Exclusivo, que numa dada secção apresentam os seguintes valores de momento: {20 kNm, 30 kNm, 40 kNm}. A aplicação BIM avaliará então o momento máximo como 40 kNm e o momento mínimo como zero. Isto deve-se ao facto de, como mostrado anteriormente, ao avaliar a combinação envelope de cargas variáveis, ser incluída uma combinação "vazia" adicional de valor zero, representando o estado em que nenhuma carga variável é aplicada à estrutura.

Por outro lado, o midas Civil segue estritamente a lógica matemática ao avaliar a combinação Envelope e avaliará o mínimo como 20 kNm e o máximo como 40 kNm. Por outras palavras, a consideração de que nenhum caso de carga pode ser aplicado à estrutura é deixada ao utilizador, que pode facilmente consegui-lo adicionando um caso de carga nulo (vazio) à combinação Envelope. Nesse caso, os resultados da combinação Envelope no IDEA StatiCa BIM e no midas Civil serão idênticos. Naturalmente, esta é uma situação rara, uma vez que a maioria das combinações Envelope de cargas variáveis na análise de pontes é constituída por casos de carga com sinais diferentes de forças internas em secções individuais (por exemplo, Vento_Y+; Vento_Y-). Nestes casos, as combinações Envelope no IDEA StatiCa BIM e no midas Civil são idênticas, e a adição de um caso de carga nulo à combinação no midas Civil é desnecessária. Com base no exposto, aplica-se a seguinte regra: Se os casos de carga individuais na combinação Envelope no midas Civil apresentarem todas as forças com o mesmo sinal, é necessário adicionar um caso de carga nulo à combinação Envelope.

2.6. Combinações lineares e envelope de combinações e casos de carga

A aplicação BIM adota as regras de combinação do midas Civil, pelo que também deve realizar combinações lineares e envelope, conforme definido anteriormente (um nível abaixo), tal como o midas Civil. Ao contrário do trabalho com casos de carga, quando se trabalha com combinações, a lógica das combinações lineares e envelope é agora idêntica às combinações Add e Envelope no midas Civil. Isto significa que, para envelopes derivados de combinações, a aplicação BIM avalia sempre o envelope de forma puramente matemática (efeitos máximos e mínimos). Deixa de existir distinção entre grupos do tipo standard ou exclusivo para envelopes.

Com base no Capítulo 2.4, o leitor poderá questionar-se sobre como uma combinação Envelope, transferida do midas Civil, será avaliada na aplicação BIM se for criada a partir de um conjunto misto de elementos, ou seja, de casos de carga e combinações. Expliquemos isto novamente com um exemplo.

Exemplo n.º 4: Envelope de Combinações e Conjunto de Casos de Carga

Consideremos três casos de carga, LC 1, LC 2 e LC 3, que são do mesmo tipo, pelo que se encontram todos num grupo de carga exclusivo na aplicação BIM. Adicionalmente, consideremos uma combinação do tipo Add C1 no midas Civil. No midas Civil, é então definida uma combinação Envelope C2_env a partir do grupo {C1; LC1; LC2; LC3}. A combinação Envelope C2_env na aplicação BIM será então avaliada de forma puramente como envelope, ou seja:

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

Não haverá adição de elementos, como descrito no Capítulo 2.4, onde o conjunto envelope de elementos compreende um grupo de carga exclusivo e um caso de carga permanente.

Analisemos agora outro caso comum de trabalho com cargas permanentes e envelopes, que ocorre frequentemente na análise de pontes e pode suscitar questões devido às especificidades do tratamento das cargas permanentes nas combinações envelope na aplicação BIM. O exemplo envolve a consideração dos valores inferior e superior da carga permanente, onde, por exemplo, o fator para o valor inferior é 1,0 e para o valor superior o fator de carga é superior a 1,0 (tipicamente 1,35 ou 0,85 × 1,35 = 1,15).

Exemplo n.º 5: Consideração do envelope para os valores superior e inferior da carga permanente

Consideremos no midas Civil um caso de carga para Peso Próprio, uma combinação envelope térmica Temp_env e um envelope de carga móvel MVL. De acordo com a norma de dimensionamento (Eurocode), é necessário considerar duas combinações de carga para o Estado Limite Último (ULS):

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

Existem duas formas corretas de configurar as combinações para que os resultados no midas Civil e no IDEA StatiCa BIM coincidam.

A primeira opção consiste em criar duas combinações Add separadas no midas Civil, que serão transferidas para a aplicação BIM como combinações lineares, evitando assim quaisquer problemas descritos na Secção 2.4.

A desvantagem da solução acima mencionada é que conduz a um número duplicado de combinações Add ULS no midas Civil, uma com fator 1,0 e outra com 1,35. Por isso, os utilizadores procedem frequentemente preparando uma combinação Envelope para o Peso Próprio. Para construir corretamente o envelope, são utilizadas combinações Add "auxiliares", e as regras de combinação seriam as seguintes:

• Combinação Add Dead_1.0 – caso de carga Peso próprio, fator 1,0
• Combinação Add Dead_1.35 – caso de carga Peso próprio, fator 1,35
• Combinação Envelope Dead_env – dois elementos: {Dead_1.0; Dead_1.35}

Para a combinação n.º 3, é utilizado um envelope de combinações, pelo que será avaliado corretamente no IDEA StatiCa BIM como envelope máx/mín, ao contrário da situação em que um envelope seria criado a partir de dois casos permanentes, que seriam somados na combinação envelope da aplicação BIM. O Dead_env é então utilizado numa combinação Add no midas Civil, pelo que o número de combinações ULS é reduzido para metade em comparação com a primeira solução.

 3. Trabalho com casos de carga do tipo permanente provenientes da Análise por Fases de Construção

Como descrito acima, a especificidade do trabalho com casos de carga do tipo permanente na aplicação BIM é que são sempre somados aritmeticamente, mesmo na combinação envelope. Outro problema com o processamento de casos de carga permanentes pode surgir se for utilizada a Análise por Fases de Construção no midas Civil. Isto será explicado na secção seguinte.

A análise de, por exemplo, uma ponte pré-esforçada no midas Civil é realizada em duas etapas:

• Fase de construção – Análise por fases de construção, incluindo pré-esforço e efeitos reológicos.
• Fase pós-construção (Post CS ou Completed stage) – análise estática de cargas variáveis (temperatura, vento, tráfego, assentamento, etc.) no modelo de elementos finitos da estrutura concluída.

Os seguintes casos de carga são resultados da análise por fases de construção:

• Peso próprio
• Carga de montagem
• Tendon Primary
• Tendon Secondary
• Creep Secondary
• Shrinkage Secondary

Por exemplo, as cargas permanentes estão incluídas apenas num caso de carga, Peso próprio, que representa as cargas permanentes cumulativas de todas as fases no final da construção – a fase final. Por outro lado, após a importação para o IDEA StatiCa BIM, o estado cumulativo do peso próprio é dividido em casos incrementais de acordo com as fases de construção – um para o início e outro para o fim de cada fase. Isto é feito para que a aplicação BIM possa "replicar" o cálculo faseado da estrutura e, por exemplo, configurar corretamente o procedimento de pré-esforço e o estado inicial da secção transversal para a verificação no IDEA StatiCa RCS. Os casos incrementais individuais no IDEA StatiCa BIM são designados DL<nome da fase>[F] para o início (First step) da fase e DL<nome da fase>[L] para o fim (Last step). Todos estes casos são agrupados num grupo de casos de carga denominado Peso próprio, como mostrado na imagem seguinte.

Da mesma forma, outros casos de carga (Tendon Primary, Tendon Secondary, etc.) são divididos no IDEA StatiCa BIM e, após a importação, atribuídos aos grupos de casos de carga correspondentes. Todos estes grupos, representando os resultados da Análise por Fases de Construção, são do tipo Permanente. Os casos individuais na aplicação BIM são automaticamente atribuídos às combinações importadas do midas Civil. Por exemplo, onde um caso de carga cumulativo de Peso próprio com um fator de 1,35 era utilizado numa combinação do midas Civil, no IDEA StatiCa BIM é automaticamente substituído pelo grupo completo de casos individuais DL<nome da fase>[F] e DL<nome da fase>[L], todos com um fator de 1,35.

No entanto, surge um problema quando um caso de carga da análise PostCS (cargas variáveis – temperatura, vento, etc.) é incorretamente atribuído ao tipo Permanente após a importação para a aplicação BIM. Esta situação ocorre mais frequentemente quando o tipo Dead load ou USER é incorretamente definido para um caso de carga PostCS no midas Civil. O IDEA StatiCa BIM trata então estes casos de carga permanentes como resultados da Análise por Fases de Construção e tenta "encontrá-los" nas combinações que representam os passos individuais da construção faseada. Como não estão presentes, o IDEA StatiCa BIM não sabe onde os colocar e, ao realizar a verificação da secção transversal, gera uma mensagem de erro: "A combinação não é aplicável para o dimensionamento da secção transversal porque os casos de carga permanentes contidos nesta combinação não correspondem aos casos de carga permanentes definidos nas fases de construção."

Estes erros podem ser facilmente evitados definindo corretamente os tipos para os casos de carga individuais no midas Civil. Isto significa que os casos de carga permanentes (Permanent load case) devem ser utilizados apenas para a Análise por Fases de Construção, e os casos de carga variáveis (Transient load case) devem ser utilizados para a análise Post CS. Assim, após a exportação para o IDEA StatiCa BIM, o tipo permanente ficará reservado apenas para os resultados da construção faseada, e os problemas descritos acima não ocorrerão.