Midas Civil BIM-koppeling – logica van lastgevallen en combinaties naverwerking in IDEA StatiCa BIM

Deze uitbreidingstekst is geschikt voor een gedetailleerd begrip van de problematiek en voor het oplossen van niet-standaard situaties tijdens de import van midas Civil – IDEA StatiCa. Dit artikel maakt deel uit van een reeks van drie artikelen die de kwestie van het importeren van interne krachten in IDEA StatiCa BIM vanuit midas Civil uitgebreid behandelen. De andere twee artikelen zijn de volgende:

• Midas Civil BIM-koppeling – voorbereiding van het rekenmodel – Dit artikel definieert de principes van het werken met een BIM-koppeling en met name de richtlijnen voor het voorbereiden van een rekenmodel in midas Civil.
• Midas Civil BIM-koppeling voor het ontwerp van een drieoverspannende brug met voorspanning met nagerekt staal – Een praktisch voorbeeld van het importeren van resultaten uit het rekenmodel van een voorgespannen, drieoverspannende T-liggersbrug in IDEA StatiCa BIM.

1. Combinaties in midas Civil

Midas Civil werkt met combinaties van het type Optelling en Envelop. Zoals elke midas-gebruiker weet, worden combinaties vervolgens behandeld als "lagen". Elke combinatie van het type Optelling of Envelop die in een laag (N-1) is gedefinieerd, kan worden gebruikt om een set gecombineerde items te definiëren in een combinatie van het type Optelling of Envelop in laag N. Op deze manier worden de standaard BGT- en UGT-combinaties opeenvolgend opgebouwd. Belangrijk is dat er binnen een Envelop-combinatie nooit een sommatie van belastingseffecten wordt uitgevoerd. De maximale en minimale belastingseffecten worden echter altijd geëvalueerd uit een opgegeven set lastgevallen en lastcombinaties die in de vorige laag zijn gedefinieerd.

2. Combinaties in IDEA StatiCa BIM

Laten we nu de basislogica beschrijven van het combineren van lastgevallen in IDEA StatiCa BIM. De BIM-app werkt met vier basistypen combinaties:

• Eurocode (6.10)
• Eurocode (6.10 a,b)
• Envelop
• Lineair

2.1. Normafhankelijke combinaties

De normafhankelijke combinaties gedragen zich hetzelfde als de envelopcombinaties (zie hieronder). De BIM-app genereert echter automatisch last- en combinatiefactoren op basis van de normbeschrijving en de relevante vergelijkingen. Voor Eurocode worden vergelijkingen 6.10 of 6.10a,b gebruikt voor UGT-combinaties, vergelijking 6.14b voor BGT karakteristiek, vergelijking 6.15b voor BGT frequent en vergelijking 6.16b voor BGT quasi-permanente combinatie. De last- en combinatiefactoren worden echter ingevoerd binnen de combinaties die zijn gedefinieerd in midas Civil. Normafhankelijke combinaties zijn daarom niet relevant bij het importeren van gegevens uit midas Civil. Ze zijn hier om interne krachten te importeren vanuit andere programma's naar IDEA StatiCa BIM.

2.2. Lineaire combinaties

Een lineaire combinatie van lastgevallen is een eenvoudige somcombinatie. De interne krachten uit de afzonderlijke lastgevallen in de combinatie worden rekenkundig gesommeerd. De lineaire combinatie is daarmee equivalent aan een combinatie van het type Optelling in midas Civil.

2.3. Envelopcombinaties van variabele lastgevallen

De betekenis van de Envelop-combinatie in IDEA StatiCa BIM en de Envelop-combinatie in midas Civil verschilt echter aanzienlijk bij het werken met lastgevallen. Een envelopcombinatie van lastgevallen in IDEA StatiCa BIM is een envelop van lineaire combinaties die worden gegenereerd op basis van een combinatieregel en de indeling van lastgevallen in lastgevalgroepen. Binnen de combinatie Envelop wordt dus eerst een set afzonderlijke gesommeerde lineaire combinaties gegenereerd. Vervolgens worden de maxima en minima uit deze set geëvalueerd – d.w.z. de max- en min-envelop.

Zoals reeds vermeld, worden de waarden van interne krachten in midas Civil nooit opgeteld in de Envelop-combinatie. De max- en min-waarden worden echter altijd rechtstreeks geëvalueerd uit de lastgevallen en combinaties. Wanneer Enveloppen en Lastgevalgroepen echter correct worden gebruikt in IDEA StatiCa BIM, gedragen ze zich op dezelfde manier als enveloppen in midas Civil. Dit zullen we later in detail uitleggen.

Laten we eerst de werking van de Envelopcombinatie in de BIM-app illustreren aan de hand van een voorbeeld. Maar daarvoor moeten we het concept van een Lastgevalgroep uitleggen. Voor het aanmaken van Envelopcombinaties in IDEA StatiCa BIM worden afzonderlijke lastgevallen ingedeeld in zogenaamde Lastgevalgroepen. Elke lastgevalgroep, en dus alle daarin opgenomen lastgevallen, heeft een belangrijke parameter genaamd Type. Het Type van een lastgevalgroep definieert de onderlinge relaties tussen de gevallen en bepaalt daarmee wat wel en niet wordt gecombineerd in de gesommeerde lineaire combinaties (die vervolgens de envelop vormen).

 IDEA StatiCa BIM onderscheidt zeven groepen:

• Permanent
• Standaard
• Exclusief
• Vermoeiing, exclusief
• Accidenteel, standaard
• Accidenteel, exclusief
• Seismisch, exclusief.

Voor de doeleinden van dit artikel behandelen we alleen de eerste drie groepen.

Groep van het type Permanent

De waarden uit de permanente lastgevallen worden altijd opgenomen in de lineaire combinatie, zodat ze aanwezig zijn in elk van de lineaire combinaties.

Groep van het type Standaard

Lastgevallen uit de groep van het type Standaard kunnen in afzonderlijke sub-lineaire combinaties (waaruit de envelop vervolgens wordt geëvalueerd) afzonderlijk voorkomen, allemaal tegelijkertijd, of slechts een subset ervan. Alle mogelijke varianten van "gelijktijdig voorkomen" van lastgevallen worden automatisch gegenereerd.

Voorbeeld nr. 1: Envelop van variabele lastgevallen van het type Standaard

Beschouw twee lastgevallen van het type variabele belasting, die zijn ingedeeld in de groep van lastgevallen van het type Standaard. De onderstaande tabel toont de verschillende lineaire combinaties. Zoals uit de tabel blijkt, bestaat de envelop in het geval van het type Standaard uit vier lineaire subcombinaties.

Groep van het type Exclusief

Voor lastgevallen van de groep van het type Exclusief wordt in elke lineaire combinatie slechts één lastgeval uit de groep gebruikt.

Voorbeeld nr. 2: Envelop van variabele lastgevallen van het type Exclusief

Beschouw twee lastgevallen van het type variabele belasting die zijn opgenomen in dezelfde groep van lastgevallen van het type Exclusief. De onderstaande tabel toont de afzonderlijke lineaire combinaties. Zoals uit de tabel blijkt, bevat de envelop in het geval van de groep van het type Exclusief drie lineaire subcombinaties.

Bij het toepassen van de Envelop-combinatie op de lastgevallen in de groep van het type Exclusief bevat elk van de lineaire subcombinaties slechts één lastgeval, en wordt automatisch een extra nul, lege combinatie toegevoegd (hierop komen we later terug). Vanuit het perspectief van de midas Civil-gebruiker is het cruciaal op te merken dat het toepassen van de envelopcombinatie op de groep van lastgevallen van het type Exclusief hetzelfde resultaat oplevert als het toepassen van de Envelop-combinatie op de identieke groep van lastgevallen in midas Civil. Hoewel de logica van de combinaties enigszins verschilt, worden door het correct instellen van de combinaties identieke resultaten bereikt in IDEA StatiCa BIM als in het bronbestand van midas Civil.

Voor de volledigheid dient ook te worden vermeld dat de envelopcombinatie van twee verschillende groepen van het type Exclusief niet op dezelfde manier werkt als de Envelop-combinatie in midas Civil, omdat in de lineaire subcombinaties slechts één toestand uit de eerste groep van het type Exclusief en één uit de tweede gelijktijdig kunnen voorkomen. Daarom is het binnen één envelopcombinatie noodzakelijk ervoor te zorgen dat alle variabele lastgevallen binnen één groep van het type Exclusief vallen.

2.4. Envelopcombinaties van een gemengde set permanente en variabele lastgevallen 

In de IDEA StatiCa BIM-software worden permanente lastgevallen altijd opgeteld bij de envelop van de variabele lastgevallen in de envelopcombinatie. De BIM-app implementeert deze logica om compatibiliteit met andere programma's, zoals Scia Engineer, te waarborgen.

De Envelop-combinatie in midas Civil daarentegen functioneert altijd als een "zuivere envelop" (wiskundige evaluatie van max en min; er wordt niets opgeteld) uit de set lastgevallen, ongeacht of de opgenomen lastgevallen permanent of variabel zijn. De envelopcombinatie van dezelfde gemengde set lastgevallen levert dus andere resultaten op in midas Civil dan in IDEA StatiCa BIM. Dit zullen we toelichten aan de hand van een voorbeeld.

Voorbeeld nr. 3: Envelop van variabele en permanente lastgevallen in één combinatie 

Laten we nu drie lastgevallen beschouwen. De lastgevallen zijn toegewezen aan twee groepen. De eerste groep is van het type Permanent en bevat lastgeval LC 1. De andere twee lastgevallen, LC 2 en LC 3, zijn variabel en zijn toegewezen aan de tweede groep van lastgevallen, van het type Standaard of Exclusief. De onderstaande tabellen tonen opnieuw de afzonderlijke lineaire combinaties van deze lastgevallen in de BIM-app, afhankelijk van het type dat is toegewezen aan de tweede groep van variabele lastgevallen.

Uit de tabel blijkt duidelijk dat het permanente lastgeval is opgenomen in elke lineaire (som) subcombinatie, waaruit de envelop vervolgens wordt geëvalueerd. Dit leidt tot de regel voor het aanmaken van combinaties in midas Civil – gebruik geen Envelop-combinaties op een set lastgevallen waarbij zowel permanente als variabele lastgevallen aanwezig zijn, of alleen permanente lastgevallen! Deze regel is eenvoudig te respecteren en ook hier geldt dat de resultaten identiek zullen zijn bij een correcte voorbereiding van het rekenmodel in midas Civil.

2.5. Envelopcombinaties van lastgevallen met hetzelfde teken

Een ander verschil tussen midas Civil en de BIM-app ontstaat bij het evalueren van de envelop uit een set variabele lastgevallen met hetzelfde teken voor interne krachten. Met andere woorden, in een specifieke doorsnede hebben de interne krachten uit de afzonderlijke lastgevallen altijd hetzelfde teken. Uiteraard kan het teken variëren over de lengte van de constructie.

Beschouw bijvoorbeeld een groep van drie lastgevallen in dezelfde groep van het type Exclusief, die in een gegeven doorsnede de volgende momentwaarden hebben: {20 kNm, 30 kNm, 40 kNm}. De BIM-app evalueert dan het maximale moment als 40 kNm en het minimale moment als nul. Dit komt doordat, zoals eerder getoond, bij het evalueren van de envelopcombinatie van variabele belastingen een extra "lege," nulcombinatie wordt opgenomen, die de toestand vertegenwoordigt waarbij geen variabele belasting op de constructie wordt aangebracht.

Midas Civil daarentegen volgt strikt de wiskundige logica bij het evalueren van de Envelop-combinatie en evalueert het minimum als 20 kNm en het maximum als 40 kNm. Met andere woorden, de overweging dat geen lastgeval op de constructie hoeft te worden toegepast, wordt aan de gebruiker overgelaten, die dit eenvoudig kan bereiken door een nul (leeg) lastgeval toe te voegen aan de Envelop-combinatie. Dan zijn de resultaten van de Envelop-combinatie in IDEA StatiCa BIM en midas Civil identiek. Dit is uiteraard een zeldzame situatie, aangezien de meeste Envelop-combinaties van variabele belastingen in bruganalyse zijn samengesteld uit lastgevallen met verschillende tekens van interne krachten in afzonderlijke doorsneden (bijv. Wind_Y+; Wind_Y-). In deze gevallen zijn de Envelop-combinaties in IDEA StatiCa BIM en midas Civil identiek en is het toevoegen van een nul-lastgeval aan de combinatie in midas Civil niet nodig. Op basis van het bovenstaande geldt de volgende regel: Als afzonderlijke lastgevallen in de Envelop-combinatie in midas Civil alle krachten met hetzelfde teken opleveren, is het noodzakelijk een nul-lastgeval toe te voegen aan de Envelop-combinatie.

2.6. Lineaire en envelopcombinaties van combinaties en lastgevallen

De BIM-app neemt de combinatieregels over van midas Civil en moet daarom ook lineaire en envelopcombinaties uitvoeren, zoals eerder gedefinieerd (één niveau lager), net als midas Civil. In tegenstelling tot het werken met lastgevallen is bij het werken met combinaties de logica van lineaire en envelopcombinaties nu identiek aan de Optelling- en Envelop-combinaties in midas Civil. Dit betekent dat voor enveloppen afgeleid uit combinaties, de BIM-app de envelop altijd puur wiskundig evalueert (max en min effecten). Er is geen onderscheid meer tussen standaard of exclusieve typegroepen voor enveloppen.

Op basis van hoofdstuk 2.4 vraagt de lezer zich misschien af hoe een Envelop-combinatie, overgedragen vanuit midas Civil, in de BIM-app wordt geëvalueerd als deze is samengesteld uit een gemengde set elementen, d.w.z. uit lastgevallen en combinaties. Laten we dit opnieuw toelichten aan de hand van een voorbeeld.

Voorbeeld nr. 4: Envelop van combinaties en een set lastgevallen

Beschouw drie lastgevallen, LC 1, LC 2 en LC 3, die van hetzelfde type zijn, zodat ze allemaal in één exclusieve lastgroep in de BIM-app staan. Beschouw daarnaast een Optelling-combinatie C1 in midas Civil. In midas Civil wordt vervolgens een Envelop-combinatie C2_env gedefinieerd uit de groep {C1; LC1; LC2; LC3}. De Envelop-combinatie C2_env in de BIM-app wordt dan puur als envelop geëvalueerd, wat betekent:

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

Er zal geen optelling van elementen plaatsvinden, zoals beschreven in hoofdstuk 2.4, waar de envelopset van elementen bestaat uit een exclusieve lastgroep en een permanent lastgeval.

Laten we nu een andere veelvoorkomende situatie analyseren bij het werken met permanente belastingen en enveloppen, die vaak voorkomt in bruganalyse en vragen kan oproepen vanwege de specifieke manier waarop permanente belastingen worden verwerkt in envelopcombinaties in de BIM-app. Het voorbeeld betreft het beschouwen van de onder- en bovenwaarden van de permanente belasting, waarbij bijvoorbeeld de factor voor de onderwaarde 1,0 is en voor de bovenwaarde de belastingsfactor groter is dan 1,0 (doorgaans 1,35 of 0,85 × 1,35 = 1,15).

Voorbeeld nr. 5: Beschouwing van de envelop voor de boven- en onderwaarden van de permanente belasting

Beschouw in midas Civil één lastgeval voor Eigen gewicht, een thermische envelopcombinatie Temp_env en een rijdende last envelop MVL. Volgens de ontwerpnorm (Eurocode) is het noodzakelijk rekening te houden met twee UGT-lastcombinaties:

•     1,0×Eigen gewicht + 0,9×Temp_env + 1,35×MVL
•   1,35×Eigen gewicht + 0,9×Temp_env + 1,35×MVL 

Er zijn twee correcte manieren om de combinaties in te stellen zodat de resultaten in midas Civil en IDEA StatiCa BIM overeenkomen.

De eerste optie is het aanmaken van twee afzonderlijke Optelling-combinaties in midas Civil, die als lineaire combinaties worden overgedragen naar de BIM-app, waardoor de problemen beschreven in paragraaf 2.4 worden vermeden.

Het nadeel van de bovengenoemde oplossing is dat dit leidt tot een verdubbeld aantal UGT Optelling-combinaties in midas Civil, eenmaal met een factor van 1,0 en eenmaal met 1,35. Gebruikers gaan daarom vaak te werk door een Envelop-combinatie voor het Eigen gewicht voor te bereiden. Om de envelop correct op te bouwen, worden "hulp" Optelling-combinaties gebruikt en de combinatieregels zijn als volgt:

• Optelling-combinatie Dead_1.0 – lastgeval Eigen gewicht, factor 1,0
• Optelling-combinatie Dead_1.35 – lastgeval Eigen gewicht, factor 1,35
• Envelop-combinatie Dead_env – twee elementen: {Dead_1.0; Dead_1.35}

Voor combinatie nr. 3 wordt een envelop van combinaties gebruikt, zodat deze correct wordt geëvalueerd in IDEA StatiCa BIM als een max/min-envelop, in tegenstelling tot de situatie waarbij een envelop zou worden aangemaakt uit twee permanente gevallen, die zouden worden gesommeerd in de BIM-app envelopcombinatie. De Dead_env wordt vervolgens gebruikt in een Optelling-combinatie in midas Civil, zodat het aantal UGT-combinaties wordt gehalveerd ten opzichte van de eerste oplossing.

 3. Werken met lastgevallen van het type Permanent uit de Bouwfaseanalyse

Zoals hierboven beschreven, is de specificiteit van het werken met lastgevallen van het type Permanent in de BIM-app dat ze altijd rekenkundig worden gesommeerd, zelfs in de envelopcombinatie. Een ander probleem bij het verwerken van permanente lastgevallen kan ontstaan als Bouwfaseanalyse wordt gebruikt in midas Civil. Dit wordt in de volgende paragraaf toegelicht.

De analyse van bijvoorbeeld een voorgespannen brug in midas Civil wordt uitgevoerd in twee stappen:

• Bouwfase – Bouwfaseanalyse, inclusief voorspanning en reologische effecten.
• Post-bouwfase (Post CS of Completed stage) – statische analyse van variabele belastingen (temperatuur, wind, verkeer, zetting, enz.) op het eindige-elementenmodel van de voltooide constructie.

De volgende lastgevallen zijn de resultaten van de bouwfaseanalyse:

• Eigen gewicht
• Montagelast
• Spanelement primair
• Spanelement secundair
• Kruip secundair
• Krimp secundair

Permanente belastingen zijn bijvoorbeeld alleen opgenomen in één lastgeval, Eigen gewicht, dat de cumulatieve permanente belastingen uit alle fasen aan het einde van de bouw vertegenwoordigt – de eindige fase. Aan de andere kant wordt na import in IDEA StatiCa BIM de cumulatieve toestand van het eigen gewicht opgesplitst in incrementele gevallen volgens de bouwfasen – één voor het begin en één voor het einde van elke fase. Dit wordt gedaan zodat de BIM-app de gefaseerde berekening van de constructie kan "repliceren" en bijvoorbeeld de voorspanningsprocedure en de initiële doorsnedestoestand correct kan instellen voor de IDEA StatiCa RCS normtoetsing. De afzonderlijke incrementele gevallen in IDEA StatiCa BIM worden benoemd als DL<fasenaam>[F] voor het begin (First step) van de fase en DL<fasenaam>[L] voor het einde (Last step). Al deze gevallen zijn gegroepeerd in een lastgevalgroep genaamd Eigen gewicht, zoals weergegeven in de volgende afbeelding.

Op dezelfde manier worden andere lastgevallen (Spanelement primair, Spanelement secundair, enz.) opgesplitst in IDEA StatiCa BIM en na import toegewezen aan de overeenkomstige lastgevalgroepen. Al deze groepen, die de resultaten van de Bouwfaseanalyse vertegenwoordigen, zijn van het type Permanent. De afzonderlijke gevallen in de BIM-app worden automatisch toegewezen aan de geïmporteerde combinaties vanuit midas Civil. Waar bijvoorbeeld een cumulatief Eigen gewicht-lastgeval met een factor van 1,35 werd gebruikt in een midas Civil-combinatie, wordt dit in IDEA StatiCa BIM automatisch vervangen door de volledige groep van afzonderlijke gevallen DL<fasenaam>[F] en DL<fasenaam>[L], allemaal met een factor van 1,35.

Er ontstaat echter een probleem wanneer een lastgeval uit de PostCS-analyse (variabele belastingen – temperatuur, wind, enz.) na import in de BIM-app ten onrechte het type Permanent krijgt toegewezen. Deze situatie doet zich het vaakst voor als het type Eigen gewicht of GEBRUIKER onjuist is ingesteld voor een PostCS-lastgeval in midas Civil. IDEA StatiCa BIM behandelt deze permanente lastgevallen dan als resultaten van de Bouwfaseanalyse en probeert ze te "vinden" in combinaties die afzonderlijke stappen van de gefaseerde bouw vertegenwoordigen. Omdat ze daar niet aanwezig zijn, weet IDEA StatiCa BIM niet waar ze moeten worden geplaatst en genereert het bij het uitvoeren van een doorsnede-normtoetsing een foutmelding: "De combinatie is niet toepasbaar voor doorsnede-ontwerp omdat de permanente lastgevallen in deze combinatie niet overeenkomen met de permanente lastgevallen die zijn gedefinieerd in de bouwfasen."

Deze fouten kunnen eenvoudig worden vermeden door de typen voor afzonderlijke lastgevallen in midas Civil correct in te stellen. Dit betekent dat permanente lastgevallen (Permanent load case) alleen mogen worden gebruikt voor Bouwfaseanalyse, en variabele lastgevallen (Transient load case) voor Post CS-analyse. Na het exporteren naar IDEA StatiCa BIM is het type Permanent dan voorbehouden aan de resultaten van de gefaseerde bouw en doen de hierboven beschreven problemen zich niet voor.