Midas Civil BIM link – logica cazurilor de încărcare și combinațiilor de postprocesare în IDEA StatiCa BIM

Acest text extins este potrivit pentru o înțelegere detaliată a problemelor și pentru rezolvarea situațiilor nestandard în timpul importului midas Civil – IDEA StatiCa. Acest articol face parte dintr-o serie de trei articole care acoperă în mod cuprinzător problema importului forțelor interioare în IDEA StatiCa BIM din midas Civil. Celelalte două articole sunt următoarele:

• Midas Civil BIM link – pregătirea modelului de calcul – Acest articol definește principiile de lucru cu un link BIM și, în special, ghidurile pentru pregătirea unui model de calcul în midas Civil.
• Midas Civil BIM link pentru proiectarea unui pod post-tensionat cu trei deschideri – Un exemplu practic de import al rezultatelor din modelul de calcul al unui pod precomprimat cu trei deschideri, cu grinzi T, în IDEA StatiCa BIM.

1. Combinații în midas Civil

Midas Civil lucrează cu combinații de tip Add și Envelope. Așa cum știe orice utilizator midas, combinațiile sunt tratate ca „straturi". Fiecare combinație de tip Add sau Envelope definită într-un strat (N-1) poate fi utilizată pentru a defini un set de elemente combinate într-o combinație de tip Add sau Envelope din stratul N. Astfel sunt construite în secvență combinațiile standard SLS și SLU. Important este că nicio însumare a efectelor încărcărilor nu se efectuează vreodată în cadrul unei combinații Envelope. Totuși, valorile maxime și minime ale efectelor încărcărilor sunt întotdeauna evaluate dintr-un set specificat de cazuri de încărcare și combinații de încărcare definite în stratul anterior.

2. Combinații în IDEA StatiCa BIM

Acum, să descriem logica de bază a combinării cazurilor de încărcare în IDEA StatiCa BIM. Aplicația BIM lucrează cu patru tipuri de bază de combinații:

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

2.1. Combinații dependente de cod

Combinațiile dependente de cod se comportă la fel ca și combinațiile de tip envelope (a se vedea mai jos). Totuși, aplicația BIM generează automat factorii de încărcare și de combinare conform descrierii codului și ecuațiilor relevante. Pentru Eurocode, ecuațiile 6.10 sau 6.10a,b sunt utilizate pentru combinațiile SLU, ecuația 6.14b pentru SLS caracteristic, ecuația 6.15b pentru SLS frecvent și ecuația 6.16b pentru combinația SLS cvasipermanentă. Cu toate acestea, factorii de încărcare și de combinare sunt introduși în cadrul combinațiilor definite în midas Civil. Prin urmare, combinațiile dependente de cod nu sunt relevante la importul datelor din midas Civil. Acestea sunt utilizate pentru importul forțelor interioare din alte programe în IDEA StatiCa BIM.

2.2. Combinații liniare

O combinație liniară a cazurilor de încărcare este o combinație prin însumare simplă. Forțele interioare din cazurile de încărcare individuale din combinație sunt însumate aritmetic. Combinația liniară este astfel echivalentă cu o combinație de tip Add din midas Civil.

2.3. Combinații envelope din cazuri de încărcare variabile

Pe de altă parte, semnificația combinației de tip Envelope în IDEA StatiCa BIM și a combinației de tip Envelope în midas Civil este semnificativ diferită atunci când se lucrează cu cazuri de încărcare. O combinație envelope a cazurilor de încărcare în IDEA StatiCa BIM este un envelope al combinațiilor liniare generate pe baza unei reguli de combinare și a clasificării cazurilor de încărcare în grupuri de cazuri de încărcare. Astfel, un set de combinații liniare individuale însumate este mai întâi generat în cadrul combinației Envelope. Apoi, valorile maxime și minime sunt evaluate din acest set – adică envelope-ul max și min.

Așa cum s-a menționat deja, în midas Civil, valorile forțelor interioare, de exemplu, nu sunt niciodată adunate în combinația de tip Envelope. Totuși, valorile max și min sunt întotdeauna evaluate direct din cazurile de încărcare și combinații. Cu toate acestea, atunci când Envelope-urile și Grupurile de cazuri de încărcare sunt utilizate corect în IDEA StatiCa BIM, acestea se comportă în același mod ca envelope-urile din midas Civil. Vom explica acest lucru în detaliu mai târziu.

Mai întâi, să ilustrăm funcția Combinației Envelope în aplicația BIM printr-un exemplu. Dar înainte de aceasta, trebuie să explicăm conceptul de Grup de cazuri de încărcare. În scopul creării Combinațiilor Envelope în IDEA StatiCa BIM, cazurile de încărcare individuale sunt clasificate în așa-numitele Grupuri de cazuri de încărcare. Fiecare grup de cazuri de încărcare, și astfel toate cazurile de încărcare incluse în acesta, are un parametru important numit Tip. Tipul unui grup de cazuri de încărcare definește interrelațiile dintre cazuri și, prin urmare, guvernează ce va fi și ce nu va fi combinat cu ce în combinațiile liniare însumate (care alcătuiesc apoi envelope-ul).

 IDEA StatiCa BIM distinge șapte grupuri:

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

În scopul acestui articol, ne vom ocupa doar de primele trei grupuri.

Grupul de tip Permanent

Valorile din cazurile de încărcare Permanente sunt întotdeauna incluse în combinația liniară, astfel încât sunt prezente în fiecare dintre combinațiile liniare.

Grupul de tip Standard

Cazurile de încărcare din grupul de tip Standard pot apărea în subcombinațiile liniare individuale (din care se evaluează apoi envelope-ul) singure, toate simultan sau doar un subset al acestora. Toate variantele posibile de „co-apariție" a cazurilor de încărcare sunt generate automat.

Exemplul nr. 1: Envelope al cazurilor de încărcare variabile de tip Standard

Considerăm două cazuri de încărcare de tip încărcare variabilă, clasificate în grupul de cazuri de încărcare de tip Standard. Tabelul de mai jos prezintă diferitele combinații liniare. Așa cum se poate observa din tabel, în cazul tipului Standard, envelope-ul va consta din patru subcombinații liniare.

Grupul de tip Exclusive

Pentru cazurile de încărcare din grupul de tip Exclusive, doar un singur caz de încărcare din grup este utilizat în fiecare combinație liniară.

Exemplul nr. 2: Envelope al cazurilor de încărcare variabile de tip Exclusive

Să considerăm două cazuri de încărcare de tip încărcare variabilă incluse în același grup de cazuri de încărcare de tip Exclusive. Tabelul de mai jos prezintă combinațiile liniare individuale. Așa cum se poate observa din tabel, în cazul grupului de tip Exclusive, envelope-ul va conține trei subcombinații liniare.

La aplicarea combinației de tip Envelope cazurilor de încărcare din grupul de tip Exclusive, fiecare dintre subcombinațiile liniare conține doar un singur caz de încărcare, iar o combinație nulă, goală, este adăugată automat (vom reveni la aceasta mai târziu). Din perspectiva utilizatorului midas Civil , este esențial de remarcat că aplicarea combinației envelope grupului de tip Exclusive de cazuri de încărcare conduce la același rezultat ca aplicarea combinației Envelope grupului identic de cazuri de încărcare în midas Civil. Deși logica combinațiilor este ușor diferită, prin configurarea corectă a combinațiilor, se obțin rezultate identice în IDEA StatiCa BIM față de fișierul sursă midas Civil.

Pentru completitudine, trebuie să adăugăm că combinația envelope din două grupuri diferite de tip Exclusive de încărcări nu va funcționa la fel ca și combinația Envelope din midas Civil, deoarece în subcombinațiile liniare poate apărea simultan doar o stare din primul grup de tip Exclusive și una din al doilea. Prin urmare, în cadrul unei singure combinații envelope, este necesar să se asigure că toate cazurile de încărcare variabile se află într-un singur grup de tip Exclusive.

2.4. Combinații envelope dintr-un set mixt de cazuri de încărcare permanente și variabile 

În software-ul IDEA StatiCa BIM, cazurile de încărcare permanente sunt întotdeauna adăugate la envelope-ul din cazurile de încărcare variabile în combinația envelope. Aplicația BIM implementează această logică pentru a asigura compatibilitatea cu alte programe, cum ar fi Scia Engineer.

În contrast, combinația Envelope din midas Civil va funcționa întotdeauna ca un „envelope pur" (evaluare matematică a max și min; nimic nu este adăugat) din setul de cazuri de încărcare, indiferent dacă cazurile de încărcare incluse sunt permanente sau variabile. Astfel, combinația envelope a aceluiași set mixt de cazuri de încărcare va produce rezultate diferite în midas Civil față de IDEA StatiCa BIM. Vom explica acest lucru printr-un exemplu.

Exemplul nr. 3: Envelope al cazurilor de încărcare variabile și permanente într-o singură combinație 

Să considerăm acum trei cazuri de încărcare. Cazurile de încărcare sunt atribuite la două grupuri. Primul grup este de tip Permanent și conține cazul de încărcare LC 1. Celelalte două cazuri de încărcare, LC 2 și LC 3, sunt variabile și sunt atribuite celui de-al doilea grup de cazuri de încărcare, fie de tip Standard, fie de tip Exclusive. Tabelele de mai jos prezintă din nou combinațiile liniare individuale ale acestor cazuri de încărcare în aplicația BIM, în funcție de tipul atribuit celui de-al doilea grup de cazuri de încărcare variabile.

Din tabel reiese clar că cazul de încărcare permanent este inclus în fiecare subcombinație liniară (de însumare), din care se evaluează ulterior envelope-ul. Aceasta conduce la regula pentru crearea combinațiilor în midas Civil – nu utilizați combinații Envelope pe un set de cazuri de încărcare în care sunt prezente atât cazuri de încărcare permanente, cât și variabile, sau doar cazuri de încărcare permanente! Această regulă poate fi respectată cu ușurință și, din nou, este valabil că rezultatele vor fi identice cu o pregătire corectă a modelului de calcul în midas Civil.

2.5. Combinații envelope din cazuri de încărcare cu același semn

O altă diferență între midas Civil și aplicația BIM apare la evaluarea envelope-ului dintr-un set de cazuri de încărcare variabile cu același semn pentru forțele interioare. Cu alte cuvinte, într-o secțiune specifică, forțele interioare din cazurile de încărcare individuale au întotdeauna același semn. Desigur, semnul se poate schimba de-a lungul lungimii structurii.

De exemplu, să considerăm un grup de trei cazuri de încărcare în același grup de tip Exclusive, care într-o secțiune dată au următoarele valori ale momentului: {20 kNm, 30 kNm, 40 kNm}. Aplicația BIM va evalua atunci momentul maxim ca 40 kNm și momentul minim ca zero. Aceasta deoarece, așa cum s-a arătat anterior, la evaluarea combinației envelope a încărcărilor variabile, este inclusă o combinație suplimentară „goală", nulă, reprezentând starea în care nicio încărcare variabilă nu este aplicată structurii.

Pe de altă parte, midas Civil urmează strict logica matematică la evaluarea combinației Envelope și va evalua minimul ca 20 kNm și maximul ca 40 kNm. Cu alte cuvinte, considerarea că niciun caz de încărcare nu poate fi aplicat structurii este lăsată la latitudinea utilizatorului, care poate realiza acest lucru cu ușurință adăugând un caz de încărcare nul (gol) la combinația Envelope. Atunci, rezultatele din combinația Envelope în IDEA StatiCa BIM și midas Civil vor fi identice. Desigur, aceasta este o situație rară, deoarece majoritatea combinațiilor Envelope ale încărcărilor variabile în analiza podurilor sunt realizate din cazuri de încărcare cu semne diferite ale forțelor interioare în secțiunile individuale (de ex., Wind_Y+; Wind_Y-). În aceste cazuri, combinațiile Envelope în IDEA StatiCa BIM și midas Civil sunt identice, iar adăugarea unui caz de încărcare nul la combinație în midas Civil este inutilă. Pe baza celor de mai sus, se aplică următoarea regulă: Dacă cazurile de încărcare individuale din combinația Envelope în midas Civil produc toate forțele cu același semn, este necesară adăugarea unui caz de încărcare nul la combinația Envelope.

2.6. Combinații liniare și envelope din combinații și cazuri de încărcare

Aplicația BIM adoptă regulile de combinare din midas Civil, astfel că trebuie să efectueze și combinații liniare și envelope, așa cum au fost definite anterior (cu un nivel mai jos), la fel ca midas Civil. Spre deosebire de lucrul cu cazuri de încărcare, atunci când se lucrează cu combinații, logica combinațiilor liniare și envelope este acum identică cu combinațiile Add și Envelope din midas Civil. Aceasta înseamnă că pentru envelope-urile derivate din combinații, aplicația BIM evaluează întotdeauna envelope-ul pur matematic (efecte max și min). Nu mai există o distincție între grupurile de tip standard sau exclusive pentru envelope-uri.

Pe baza Capitolului 2.4, cititorul s-ar putea întreba cum va fi evaluată în aplicația BIM o combinație Envelope, transferată din midas Civil, dacă este creată dintr-un set mixt de elemente, adică din cazuri de încărcare și combinații. Să explicăm acest lucru din nou printr-un exemplu.

Exemplul nr. 4: Envelope din combinații și un set de cazuri de încărcare

Să considerăm trei cazuri de încărcare, LC 1, LC 2 și LC 3, care sunt de același tip, astfel încât se află toate într-un grup de încărcare exclusive în aplicația BIM. În plus, să considerăm o combinație de tip Add C1 în midas Civil. În midas Civil, o combinație Envelope C2_env este definită din grupul {C1; LC1; LC2; LC3}. Combinația Envelope C2_env în aplicația BIM va fi evaluată pur ca un envelope, adică:

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

Nu va exista nicio adunare a elementelor, așa cum este descris în Capitolul 2.4, unde setul envelope de elemente cuprinde un grup de încărcare exclusive și un caz de încărcare permanent.

Să analizăm acum un alt caz frecvent de lucru cu încărcări permanente și envelope-uri, care apare adesea în analiza podurilor și ar putea ridica întrebări datorită specificului modului în care încărcările permanente sunt tratate în combinațiile envelope din aplicația BIM. Exemplul implică considerarea valorilor inferioare și superioare ale încărcării permanente, unde, de exemplu, factorul pentru valoarea inferioară este 1,0, iar pentru valoarea superioară, factorul de încărcare este mai mare de 1,0 (de obicei 1,35 sau 0,85 x 1,35 = 1,15).

Exemplul nr. 5: Considerarea envelope-ului pentru valorile superioare și inferioare ale încărcării permanente

Să considerăm în midas Civil un caz de încărcare pentru Greutatea proprie, o combinație envelope termică Temp_env și un envelope pentru încărcări mobile MVL. Conform codului de proiectare (Eurocode), este necesar să se ia în considerare două combinații de încărcare la Starea Limită Ultimă (SLU):

•     1,0×Greutate proprie + 0,9×Temp_env + 1,35×MVL
•   1,35×Greutate proprie + 0,9×Temp_env + 1,35×MVL 

Există două modalități corecte de a configura combinațiile pentru a obține rezultate identice în midas Civil și IDEA StatiCa BIM.

Prima opțiune este de a crea două combinații Add separate în midas Civil, care vor fi transferate în aplicația BIM ca combinații liniare, evitând astfel orice problemă descrisă în Secțiunea 2.4.

Dezavantajul soluției menționate mai sus este că duce la dublarea numărului de combinații Add SLU în midas Civil, o dată cu un factor de 1,0 și a doua oară cu 1,35. Prin urmare, utilizatorii procedează adesea prin pregătirea unei combinații Envelope pentru Greutatea proprie. Pentru a construi corect envelope-ul, se utilizează combinații Add „auxiliare", iar regulile de combinare ar fi următoarele:

• Combinație Add Dead_1.0 – cazul de încărcare Greutate proprie, factor 1,0
• Combinație Add Dead_1.35 – cazul de încărcare Greutate proprie, factor 1,35
• Combinație Envelope Dead_env – două elemente: {Dead_1.0; Dead_1.35}

Pentru combinația nr. 3, se utilizează un envelope din combinații, astfel că va fi evaluată corect în IDEA StatiCa BIM ca un envelope max/min, spre deosebire de situația în care un envelope ar fi creat din două cazuri permanente, care ar fi însumate în combinația envelope din aplicația BIM. Dead_env este apoi utilizat într-o combinație Add în midas Civil, astfel că numărul de combinații SLU este redus la jumătate față de prima soluție.

 3. Lucrul cu cazurile de încărcare de tip permanent din Analiza pe etape de construcție

Așa cum s-a descris mai sus, specificul lucrului cu cazurile de încărcare de tip permanent în aplicația BIM constă în faptul că acestea sunt întotdeauna însumate aritmetic, chiar și în combinația envelope. O altă problemă legată de procesarea cazurilor de încărcare permanente poate apărea dacă în midas Civil se utilizează Analiza pe etape de construcție. Aceasta va fi explicată în secțiunea următoare.

Analiza, de exemplu, a unui pod precomprimat în midas Civil se realizează în două etape:

• Etapa de construcție – Analiza pe etape de construcție, inclusiv precomprimarea și efectele reologice.
• Etapa post-construcție (Post CS sau etapa finalizată) – analiza statică a încărcărilor variabile (temperatură, vânt, trafic, tasare etc.) pe modelul cu elemente finite al structurii finalizate.

Următoarele cazuri de încărcare sunt rezultatele analizei pe etape de construcție:

• Greutate proprie
• Încărcare de montaj
• Tendon Primary
• Tendon Secondary
• Creep Secondary
• Shrinkage Secondary

De exemplu, încărcările permanente sunt incluse doar într-un singur caz de încărcare, Greutatea proprie, care reprezintă încărcările permanente cumulate din toate etapele la sfârșitul construcției – etapa finală. Pe de altă parte, după importul în IDEA StatiCa BIM, starea cumulată a greutății proprii este împărțită în cazuri incrementale conform etapelor de construcție – unul pentru începutul și unul pentru sfârșitul fiecărei etape. Aceasta se face astfel încât aplicația BIM să poată „replica" calculul pe etape al structurii și, de exemplu, să configureze corect procedura de precomprimare și starea inițială a secțiunii transversale pentru verificarea IDEA StatiCa RCS. Cazurile incrementale individuale în IDEA StatiCa BIM sunt denumite DL<numele etapei>[F] pentru începutul (primul pas) al etapei și DL<numele etapei>[L] pentru sfârșitul (ultimul pas). Toate aceste cazuri sunt grupate într-un grup de cazuri de încărcare denumit Greutate proprie, așa cum se arată în imaginea următoare.

În mod similar, alte cazuri de încărcare (Tendon Primary, Tendon Secondary etc.) sunt împărțite în IDEA StatiCa BIM și, după import, atribuite grupurilor de cazuri de încărcare corespunzătoare. Toate aceste grupuri, reprezentând rezultatele Analizei pe etape de construcție, sunt de tip Permanent. Cazurile individuale din aplicația BIM sunt atribuite automat combinațiilor importate din midas Civil. De exemplu, acolo unde un caz de încărcare cumulat Greutate proprie cu un factor de 1,35 a fost utilizat într-o combinație midas Civil, în IDEA StatiCa BIM acesta este înlocuit automat de întregul grup de cazuri individuale DL<numele etapei>[F] și DL<numele etapei>[L], toate cu un factor de 1,35.

Cu toate acestea, apare o problemă atunci când un caz de încărcare din analiza PostCS (încărcări variabile – temperatură, vânt etc.) este atribuit incorect tipului Permanent după importul în aplicația BIM. Această situație apare cel mai frecvent dacă tipul Dead load sau USER este setat incorect pentru un caz de încărcare PostCS în midas Civil. IDEA StatiCa BIM tratează atunci aceste cazuri de încărcare permanente ca rezultate din Analiza pe etape de construcție și încearcă să le „găsească" în combinațiile reprezentând pașii individuali ai construcției pe etape. Deoarece acestea nu se află acolo, IDEA StatiCa BIM nu știe unde să le plaseze și, la efectuarea verificării secțiunii transversale, generează un mesaj de eroare: „Combinația nu este aplicabilă pentru verificarea secțiunii transversale deoarece cazurile de încărcare permanente conținute în această combinație nu corespund cu cazurile de încărcare permanente definite în etapele de construcție."

Aceste erori pot fi evitate cu ușurință prin setarea corectă a tipurilor pentru cazurile de încărcare individuale în midas Civil. Aceasta înseamnă că cazurile de încărcare permanente (Permanent load case) ar trebui utilizate doar pentru Analiza pe etape de construcție, iar cazurile de încărcare variabile (Transient load case) ar trebui utilizate pentru analiza Post CS. Astfel, după exportul în IDEA StatiCa BIM, tipul permanent va fi rezervat doar pentru rezultatele construcției pe etape, iar problemele descrise mai sus nu vor apărea.