Midas Civil BIM link – logika przypadków obciążeń i kombinacji w postprocessingu IDEA StatiCa BIM

Niniejszy tekst uzupełniający jest przeznaczony do szczegółowego zrozumienia zagadnień oraz rozwiązywania niestandardowych sytuacji podczas importu midas Civil – IDEA StatiCa. Artykuł jest częścią serii trzech artykułów kompleksowo omawiających zagadnienie importu sił wewnętrznych do IDEA StatiCa BIM z midas Civil. Pozostałe dwa artykuły są następujące:

• Midas Civil BIM link – przygotowanie modelu obliczeniowego – Artykuł definiuje zasady pracy z łączem BIM, a w szczególności wytyczne dotyczące przygotowania modelu obliczeniowego w midas Civil.
• Midas Civil BIM link do projektowania trzyprzęsłowego mostu sprężonego kablami – Praktyczny przykład importu wyników z modelu obliczeniowego sprężonego, trzyprzęsłowego mostu z dźwigarami teowymi do IDEA StatiCa BIM.

1. Kombinacje w midas Civil

Midas Civil pracuje z kombinacjami typu Add i Envelope. Jak wie każdy użytkownik midas, kombinacje są następnie traktowane jako „warstwy". Każda kombinacja typu Add lub Envelope zdefiniowana w warstwie (N-1) może być użyta do zdefiniowania zestawu elementów składowych w kombinacji typu Add lub Envelope w warstwie N. W ten sposób standardowe kombinacje SGU i SGN są budowane sekwencyjnie. Co istotne, w kombinacji Envelope nigdy nie jest wykonywane sumowanie efektów obciążeń. Zawsze natomiast wyznaczane są maksymalne i minimalne efekty obciążeń z określonego zestawu przypadków obciążeń i kombinacji obciążeń zdefiniowanych w poprzedniej warstwie.

2. Kombinacje w IDEA StatiCa BIM

Opiszmy teraz podstawową logikę łączenia przypadków obciążeń w IDEA StatiCa BIM. Aplikacja BIM pracuje z czterema podstawowymi typami kombinacji:

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

2.1. Kombinacje zależne od normy

Kombinacje zależne od normy zachowują się tak samo jak kombinacje obwiedniowe (patrz poniżej). Aplikacja BIM automatycznie generuje współczynniki obciążeń i kombinacji zgodnie z opisem normy i odpowiednimi równaniami. Dla Eurokodu do kombinacji SGN stosowane są równania 6.10 lub 6.10a,b, równanie 6.14b dla charakterystycznej kombinacji SGU, równanie 6.15b dla częstej kombinacji SGU i równanie 6.16b dla quasi-stałej kombinacji SGU. Jednak współczynniki obciążeń i kombinacji są wprowadzane w ramach kombinacji zdefiniowanych w midas Civil. Dlatego kombinacje zależne od normy nie są istotne podczas importu danych z midas Civil. Służą one do importu sił wewnętrznych z innych programów do IDEA StatiCa BIM.

2.2. Kombinacje liniowe

A kombinacja liniowa przypadków obciążeń jest prostą kombinacją sumującą. Siły wewnętrzne z poszczególnych przypadków obciążeń w kombinacji są sumowane arytmetycznie. Kombinacja liniowa jest zatem równoważna kombinacji typu Add w midas Civil.

2.3. Kombinacje obwiedniowe ze zmiennych przypadków obciążeń

Z drugiej strony znaczenie kombinacji typu Envelope w IDEA StatiCa BIM i kombinacji typu Envelope w midas Civil jest znacząco różne podczas pracy z przypadkami obciążeń. Kombinacja obwiedniowa przypadków obciążeń w IDEA StatiCa BIM jest obwiednią kombinacji liniowych generowanych na podstawie reguły kombinacji i klasyfikacji przypadków obciążeń do grup przypadków obciążeń. W ramach kombinacji Envelope najpierw generowany jest zestaw indywidualnych zsumowanych kombinacji liniowych. Następnie z tego zestawu wyznaczane są wartości maksymalne i minimalne – tj. obwiednia max i min.

Jak już wspomniano, w midas Civil wartości sił wewnętrznych nigdy nie są dodawane w kombinacji typu Envelope. Zawsze natomiast wartości max i min są bezpośrednio wyznaczane z przypadków obciążeń i kombinacji. Jednak gdy obwiednie i grupy przypadków obciążeń są poprawnie stosowane w IDEA StatiCa BIM, zachowują się tak samo jak obwiednie w midas Civil. Wyjaśnimy to szczegółowo w dalszej części.

Najpierw zilustrujmy działanie kombinacji Envelope w aplikacji BIM na przykładzie. Ale wcześniej musimy wyjaśnić pojęcie grupy przypadków obciążeń. Na potrzeby tworzenia kombinacji Envelope w IDEA StatiCa BIM poszczególne przypadki obciążeń są kategoryzowane do tzw. grup przypadków obciążeń. Każda grupa przypadków obciążeń, a tym samym wszystkie zawarte w niej przypadki obciążeń, posiada ważny parametr zwany Typem. Typ grupy przypadków obciążeń definiuje wzajemne zależności między przypadkami, a tym samym określa, co będzie i co nie będzie łączone w zsumowanych kombinacjach liniowych (które następnie tworzą obwiednię).

 IDEA StatiCa BIM rozróżnia siedem grup:

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

Na potrzeby niniejszego artykułu omówimy tylko pierwsze trzy grupy.

Grupa typu Permanent

Wartości ze stałych przypadków obciążeń są zawsze uwzględniane w kombinacji liniowej, więc są obecne w każdej z kombinacji liniowych.

Grupa typu Standard

Przypadki obciążeń z grupy typu Standard mogą występować w poszczególnych podkombinacjach liniowych (z których następnie wyznaczana jest obwiednia) pojedynczo, wszystkie jednocześnie lub tylko ich podzbiór. Wszystkie możliwe warianty „współwystępowania" przypadków obciążeń są generowane automatycznie.

Przykład nr 1: Obwiednia zmiennych przypadków obciążeń typu Standard

Rozważmy dwa przypadki obciążeń zmiennych, które są sklasyfikowane w grupie przypadków obciążeń typu Standard. Poniższa tabela przedstawia różne kombinacje liniowe. Jak wynika z tabeli, w przypadku typu Standard obwiednia będzie składać się z czterech liniowych podkombinacji.

Grupa typu Exclusive

Dla przypadków obciążeń z grupy typu Exclusive w każdej kombinacji liniowej używany jest tylko jeden przypadek obciążenia z grupy.

Przykład nr 2: Obwiednia zmiennych przypadków obciążeń typu Exclusive

Rozważmy dwa przypadki obciążeń zmiennych należące do tej samej grupy przypadków obciążeń typu Exclusive. Poniższa tabela przedstawia poszczególne kombinacje liniowe. Jak wynika z tabeli, w przypadku grupy typu Exclusive obwiednia będzie zawierać trzy liniowe podkombinacje.

Przy stosowaniu kombinacji typu Envelope do przypadków obciążeń w grupie typu Exclusive każda z liniowych podkombinacji zawiera tylko jeden przypadek obciążenia, a dodatkowo automatycznie dodawana jest zerowa, pusta kombinacja (wrócimy do tego później). Z perspektywy użytkownika midas Civil kluczowe jest to, że zastosowanie kombinacji obwiedniowej do grupy przypadków obciążeń typu Exclusive daje taki sam wynik jak zastosowanie kombinacji Envelope do identycznej grupy przypadków obciążeń w midas Civil. Choć logika kombinacji jest nieco inna, poprzez prawidłowe skonfigurowanie kombinacji uzyskuje się identyczne wyniki w IDEA StatiCa BIM jak w źródłowym pliku midas Civil.

Dla kompletności należy również dodać, że kombinacja obwiedniowa z dwóch różnych grup obciążeń typu Exclusive nie będzie działać tak samo jak kombinacja Envelope w midas Civil, ponieważ w liniowych podkombinacjach jednocześnie może wystąpić tylko jeden stan z pierwszej grupy typu Exclusive i jeden z drugiej. Dlatego w ramach jednej kombinacji obwiedniowej należy zapewnić, że wszystkie zmienne przypadki obciążeń znajdują się w jednej grupie typu Exclusive.

2.4. Kombinacje obwiedniowe ze mieszanego zestawu stałych i zmiennych przypadków obciążeń 

W oprogramowaniu IDEA StatiCa BIM stałe przypadki obciążeń są zawsze dodawane do obwiedni ze zmiennych przypadków obciążeń w kombinacji obwiedniowej. Aplikacja BIM implementuje tę logikę w celu zapewnienia zgodności z innymi programami, takimi jak Scia Engineer.

Natomiast kombinacja Envelope w midas Civil zawsze działa jako „czysta obwiednia" (matematyczne wyznaczanie max i min; nic nie jest dodawane) z zestawu przypadków obciążeń, niezależnie od tego, czy uwzględnione przypadki obciążeń są stałe czy zmienne. Zatem kombinacja obwiedniowa tego samego mieszanego zestawu przypadków obciążeń da różne wyniki w midas Civil i w IDEA StatiCa BIM. Wyjaśnimy to na przykładzie.

Przykład nr 3: Obwiednia zmiennych i stałych przypadków obciążeń w jednej kombinacji 

Rozważmy teraz trzy przypadki obciążeń. Przypadki obciążeń są przypisane do dwóch grup. Pierwsza grupa jest typu Permanent i zawiera przypadek obciążenia LC 1. Pozostałe dwa przypadki obciążeń, LC 2 i LC 3, są zmienne i są przypisane do drugiej grupy przypadków obciążeń, albo typu Standard, albo Exclusive. Poniższe tabele ponownie przedstawiają poszczególne kombinacje liniowe tych przypadków obciążeń w aplikacji BIM, w zależności od typu przypisanego do drugiej grupy zmiennych przypadków obciążeń.

Z tabeli wyraźnie wynika, że stały przypadek obciążenia jest uwzględniany w każdej liniowej (sumującej) podkombinacji, z której następnie wyznaczana jest obwiednia. Prowadzi to do reguły tworzenia kombinacji w midas Civil – nie należy stosować kombinacji Envelope do zestawu przypadków obciążeń, w którym obecne są zarówno stałe, jak i zmienne przypadki obciążeń, lub wyłącznie stałe przypadki obciążeń! Reguła ta jest łatwa do przestrzegania i ponownie obowiązuje zasada, że przy prawidłowym przygotowaniu modelu obliczeniowego w midas Civil wyniki będą identyczne.

2.5. Kombinacje obwiedniowe z przypadków obciążeń o tym samym znaku

Kolejna różnica między midas Civil a aplikacją BIM pojawia się przy wyznaczaniu obwiedni z zestawu zmiennych przypadków obciążeń o tym samym znaku sił wewnętrznych. Innymi słowy, w danym przekroju siły wewnętrzne z poszczególnych przypadków obciążeń mają zawsze ten sam znak. Oczywiście znak może się zmieniać wzdłuż długości konstrukcji.

Rozważmy na przykład grupę trzech przypadków obciążeń w tej samej grupie typu Exclusive, które w danym przekroju mają następujące wartości momentów: {20 kNm, 30 kNm, 40 kNm}. Aplikacja BIM wyznaczy wówczas maksymalny moment jako 40 kNm, a minimalny moment jako zero. Wynika to z faktu, że – jak pokazano wcześniej – przy wyznaczaniu kombinacji obwiedniowej obciążeń zmiennych uwzględniana jest dodatkowa „pusta", zerowa kombinacja, reprezentująca stan, w którym żadne obciążenie zmienne nie jest przyłożone do konstrukcji.

Z drugiej strony midas Civil ściśle stosuje logikę matematyczną przy wyznaczaniu kombinacji Envelope i wyznaczy minimum jako 20 kNm, a maksimum jako 40 kNm. Innymi słowy, uwzględnienie faktu, że żaden przypadek obciążenia nie musi być przyłożony do konstrukcji, pozostawione jest użytkownikowi, który może to łatwo osiągnąć poprzez dodanie zerowego (pustego) przypadku obciążenia do kombinacji Envelope. Wówczas wyniki z kombinacji Envelope w IDEA StatiCa BIM i midas Civil będą identyczne. Oczywiście jest to rzadka sytuacja, ponieważ większość kombinacji Envelope obciążeń zmiennych w analizie mostów jest tworzona z przypadków obciążeń o różnych znakach sił wewnętrznych w poszczególnych przekrojach (np. Wind_Y+; Wind_Y-). W takich przypadkach kombinacje Envelope w IDEA StatiCa BIM i midas Civil są identyczne, a dodawanie zerowego przypadku obciążenia do kombinacji w midas Civil jest zbędne. Na podstawie powyższego obowiązuje następująca reguła: Jeśli poszczególne przypadki obciążeń w kombinacji Envelope w midas Civil dają wszystkie siły o tym samym znaku, konieczne jest dodanie zerowego przypadku obciążenia do kombinacji Envelope.

2.6. Kombinacje liniowe i obwiedniowe z kombinacji i przypadków obciążeń

Aplikacja BIM przyjmuje reguły kombinacji z midas Civil, dlatego musi również wykonywać kombinacje liniowe i obwiedniowe, zdefiniowane wcześniej (o jeden poziom niżej), tak jak midas Civil. W przeciwieństwie do pracy z przypadkami obciążeń, podczas pracy z kombinacjami logika kombinacji liniowych i obwiedniowych jest teraz identyczna z kombinacjami Add i Envelope w midas Civil. Oznacza to, że dla obwiedni wyprowadzonych z kombinacji aplikacja BIM zawsze wyznacza obwiednię czysto matematycznie (efekty max i min). Nie ma już rozróżnienia na grupy typu standard lub exclusive dla obwiedni.

Na podstawie rozdziału 2.4 czytelnik może zastanawiać się, jak kombinacja Envelope przeniesiona z midas Civil będzie wyznaczana w aplikacji BIM, jeśli jest tworzona z mieszanego zestawu elementów, tj. z przypadków obciążeń i kombinacji. Wyjaśnijmy to ponownie na przykładzie.

Przykład nr 4: Obwiednia z kombinacji i zestawu przypadków obciążeń

Rozważmy trzy przypadki obciążeń, LC 1, LC 2 i LC 3, które są tego samego typu, więc wszystkie znajdują się w jednej wyłącznej grupie obciążeń w aplikacji BIM. Dodatkowo rozważmy kombinację Add typu C1 w midas Civil. W midas Civil definiowana jest następnie kombinacja Envelope C2_env z grupy {C1; LC1; LC2; LC3}. Kombinacja Envelope C2_env w aplikacji BIM będzie wówczas wyznaczana czysto jako obwiednia, co oznacza:

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

Nie będzie sumowania elementów, jak opisano w rozdziale 2.4, gdzie zestaw obwiedniowy elementów obejmuje wyłączną grupę obciążeń i stały przypadek obciążenia.

Przeanalizujmy teraz inny powszechny przypadek pracy z obciążeniami stałymi i obwiedniami, który często występuje w analizie mostów i może budzić pytania ze względu na specyfikę obsługi obciążeń stałych w kombinacjach obwiedniowych w aplikacji BIM. Przykład dotyczy uwzględnienia dolnych i górnych wartości obciążenia stałego, gdzie na przykład współczynnik dla wartości dolnej wynosi 1,0, a dla wartości górnej współczynnik obciążenia jest większy niż 1,0 (zazwyczaj 1,35 lub 0,85 × 1,35 = 1,15).

Przykład nr 5: Uwzględnienie obwiedni dla górnych i dolnych wartości obciążenia stałego

Rozważmy w midas Civil jeden przypadek obciążenia dla ciężaru własnego, termiczną kombinację obwiedniową Temp_env oraz obwiednię obciążenia ruchomego MVL. Zgodnie z normą projektowania (Eurocode) konieczne jest uwzględnienie dwóch kombinacji obciążeń dla stanu granicznego nośności (SGN):

•     1,0×Ciężar własny + 0,9×Temp_env + 1,35×MVL
•   1,35×Ciężar własny + 0,9×Temp_env + 1,35×MVL 

Istnieją dwa prawidłowe sposoby skonfigurowania kombinacji w celu uzyskania zgodności wyników w midas Civil i IDEA StatiCa BIM.

Pierwszą opcją jest utworzenie dwóch oddzielnych kombinacji Add w midas Civil, które zostaną przeniesione do aplikacji BIM jako kombinacje liniowe, co pozwala uniknąć problemów opisanych w rozdziale 2.4.

Wadą powyższego rozwiązania jest to, że prowadzi do podwojenia liczby kombinacji Add SGN w midas Civil – raz ze współczynnikiem 1,0 i raz ze współczynnikiem 1,35. Dlatego użytkownicy często postępują, przygotowując kombinację Envelope dla ciężaru własnego. Aby prawidłowo skonstruować obwiednię, stosowane są „pomocnicze" kombinacje Add, a reguły kombinacji byłyby następujące:

• Kombinacja Add Dead_1.0 – przypadek obciążenia Ciężar własny, współczynnik 1,0
• Kombinacja Add Dead_1.35 – przypadek obciążenia Ciężar własny, współczynnik 1,35
• Kombinacja Envelope Dead_env – dwa elementy: {Dead_1.0; Dead_1.35}

Dla kombinacji nr 3 stosowana jest obwiednia z kombinacji, więc będzie ona prawidłowo wyznaczana w IDEA StatiCa BIM jako obwiednia max/min, w przeciwieństwie do sytuacji, gdy obwiednia byłaby tworzona z dwóch stałych przypadków obciążeń, które byłyby sumowane w kombinacji obwiedniowej aplikacji BIM. Dead_env jest następnie używana w kombinacji Add w midas Civil, dzięki czemu liczba kombinacji SGN jest zmniejszona o połowę w porównaniu z pierwszym rozwiązaniem.

 3. Praca z przypadkami obciążeń stałych z analizy etapów budowy

Jak opisano powyżej, specyfika pracy z przypadkami obciążeń stałych w aplikacji BIM polega na tym, że są one zawsze sumowane arytmetycznie, nawet w kombinacji obwiedniowej. Kolejny problem z przetwarzaniem stałych przypadków obciążeń może pojawić się, jeśli w midas Civil stosowana jest analiza etapów budowy. Zostanie to wyjaśnione w poniższej sekcji.

Analiza na przykład sprężonego mostu w midas Civil jest wykonywana w dwóch krokach:

• Etap budowy – analiza etapów budowy, obejmująca sprężanie i efekty reologiczne.
• Etap po budowie (Post CS lub Completed stage) – statyczna analiza obciążeń zmiennych (temperatura, wiatr, ruch, osiadanie itp.) na modelu elementów skończonych ukończonej konstrukcji.

Następujące przypadki obciążeń są wynikami analizy etapów budowy:

• Ciężar własny
• Obciążenie montażowe
• Tendon Primary
• Tendon Secondary
• Creep Secondary
• Shrinkage Secondary

Na przykład obciążenia stałe są uwzględniane tylko w jednym przypadku obciążenia, Ciężar własny, który reprezentuje skumulowane obciążenia stałe ze wszystkich etapów na końcu budowy – etap końcowy. Z drugiej strony, po zaimportowaniu do IDEA StatiCa BIM, skumulowany stan ciężaru własnego jest dzielony na przyrostowe przypadki zgodnie z etapami budowy – jeden dla początku i jeden dla końca każdego etapu. Odbywa się to po to, aby aplikacja BIM mogła „odtworzyć" etapowe obliczenia konstrukcji i na przykład prawidłowo skonfigurować procedurę sprężania oraz początkowy stan przekroju dla sprawdzenia normowego IDEA StatiCa RCS. Poszczególne przyrostowe przypadki w IDEA StatiCa BIM są nazwane DL<nazwa etapu>[F] dla początku (First step) etapu i DL<nazwa etapu>[L] dla końca (Last step). Wszystkie te przypadki są zgrupowane w grupie przypadków obciążeń o nazwie Ciężar własny, jak pokazano na poniższym rysunku.

Podobnie inne przypadki obciążeń (Tendon Primary, Tendon Secondary itp.) są dzielone w IDEA StatiCa BIM i po imporcie przypisywane do odpowiednich grup przypadków obciążeń. Wszystkie te grupy, reprezentujące wyniki analizy etapów budowy, są typu Permanent. Poszczególne przypadki w aplikacji BIM są automatycznie przypisywane do zaimportowanych kombinacji z midas Civil. Na przykład tam, gdzie w kombinacji midas Civil używany był skumulowany przypadek ciężaru własnego ze współczynnikiem 1,35, w IDEA StatiCa BIM jest on automatycznie zastępowany przez całą grupę poszczególnych przypadków DL<nazwa etapu>[F] i DL<nazwa etapu>[L], wszystkie ze współczynnikiem 1,35.

Problem pojawia się jednak, gdy przypadek obciążenia z analizy PostCS (obciążenia zmienne – temperatura, wiatr itp.) jest nieprawidłowo przypisany do typu Permanent po zaimportowaniu do aplikacji BIM. Sytuacja ta najczęściej występuje, gdy dla przypadku obciążenia PostCS w midas Civil nieprawidłowo ustawiony jest typ Dead load lub USER. IDEA StatiCa BIM traktuje wówczas te stałe przypadki obciążeń jako wyniki analizy etapów budowy i próbuje je „znaleźć" w kombinacjach reprezentujących poszczególne kroki etapowego wznoszenia. Ponieważ ich tam nie ma, IDEA StatiCa BIM nie wie, gdzie je umieścić, i podczas sprawdzania normowego przekroju generuje komunikat o błędzie: „Kombinacja nie ma zastosowania do sprawdzenia normowego przekroju, ponieważ stałe przypadki obciążeń zawarte w tej kombinacji nie odpowiadają stałym przypadkom obciążeń zdefiniowanym w etapach budowy."

Błędów tych można łatwo uniknąć, prawidłowo ustawiając typy dla poszczególnych przypadków obciążeń w midas Civil. Oznacza to, że stałe przypadki obciążeń (Permanent load case) powinny być używane wyłącznie do analizy etapów budowy, a zmienne przypadki obciążeń (Transient load case) do analizy Post CS. Wówczas po eksporcie do IDEA StatiCa BIM typ stały będzie zarezerwowany wyłącznie dla wyników etapowego wznoszenia i opisane powyżej problemy nie wystąpią.