BIM link pro propojení midas Civil a IDEA StatiCa – příprava modelu a zásady práce

Tento článek definuje principy práce s BIM linkem a zejména zásady správné přípravy výpočtového modelu v midas Civil tak, aby byl import vnitřních sil hladký s minimem úprav a kontrol v programu IDEA StatiCa BIM. Článek je součástí série tří článků, které komplexně pokrývají problematiku importu vnitřních sil do IDEA. Čtenáři doporučujeme tento text ke studiu jako první v pořadí. Další dva články jsou:

• BIM link pro import z midas Civil do IDEA StatiCa BIM – Příklad - praktický příklad importu výsledků z výpočtového modelu předpjatého, třípolového, jednotrámového mostu do IDEA StatiCa BIM.
• Logika práce IDEA StatiCa BIM se zatížením – Článek detailně a na příkladech vysvětluje logiku zpracování importovaných vnitřních sil z midasu Civil. Text je určen k detailnímu pochopení problematiky a řešení nestandartních situací při importu.

Program IDEA StatiCa BIM byl navržen pro propojení posudkových programů IDEA (zejména RCS) s MKP programy pro globální analýzu: Scia Engineer, Axis, midas Civil a midas Gen. Předmětem tohoto článku je však pouze napojení na midas Civil. Program BIM tak slouží jako překladač komplexních dat z midasu Civil pro posouzení v RCS. Přičemž zásadní je, že se automaticky přebírají z midasu Civil výsledky fázovaného výpočtu včetně reologických účinků, účinků předpětí atd.

Program BIM přebírá z midasu:

• Geometrii modelu, průřezy a materiálové charakteristiky
• Parametry předpětí – geometrii kabelů, průřezy kabelů
• Výsledky Construction stage analýzy
• Výsledky Post construction stage analýzy (teplota, obálky pohyblivého zatížení, nerovnoměrné sedání atd.)
• Předpisy jednotlivých kombinací a kombinačních součinitelů

Program BIM nemůže z midasu Civil jednoduše převzít obálkové silové účinky, protože např. pro korektní posouzení předpjatého průřezu RCS je potřeba mít rozděleny účinky předpětí, stálých a proměnných zatížení. BIM proto pracuje s jednotlivými zatěžovacími stavy a znovu provádí jejich kombinování dle kombinačních předpisů převzatých z midasu Civil. Pro správný transfer dat je nutné dodržet několik zásad, které se týkají přípravy výpočtového modelu již v midasu Civil. Tyto zásady budou postupně popsány níže v textu.

Logika práce se zatěžovacími stavy v BIMu a vyhodnocení obálkových kombinací se liší od midasu Civil a je shodná například s logikou práce s kombinacemi např. ve Scia Engineer. Při dodržení několika jednoduchých zásad však znovu provedené kombinace v programu BIM vedou k totožným výsledkům vnitřních sil jako v midasu Civil. Podrobněji je tato logika popsána v samostatném článku Logika práce IDEA StatiCa BIM se zatížením. Pro běžnou práci s programem není podrobné studium nezbytné a stačí se řídit zásadami, které budou definovány níže. Při řešení neobvyklých zadání, nebo neshody vnitřních sil mezi midasem Civil a programem BIM je však pochopení principů programu BIM důležité. Rovněž podstata skrytá za jednoduchými zásadami z tohoto článku se tím čtenáři ozřejmí.

1. Nepoužívat diakritiku v  midas Civil

Export dat z midasu Civil probíhá pomocí tzv. *.mid a *.mct souborů. Tečky a čárky se v těchto souborech používají jako oddělovače jednotlivých dat. Tečky a čárky v názvech jednotlivých entit modelu (zatěžovací stavy, kombinace, průřezy atd.) mohou rozbít tuto strukturu. Rovněž háčky, čárky a obecně diakritika mohou vést k problémům při importu dat do BIM, proto doporučujeme diakritiku v pojmenování jednotlivých entit modelu v midas Civil nepoužívat.

2. Příznaky pro určení typu kombinace MSÚ nebo MSP

V midasu Civil se kombinace zadávají v kartě Load combination -> General. V midasu si uživatel většinou typ kombinace rozlišuje pomocí jejího názvu, ale informace o tom, jestli se například jedná o kombinaci MSU nebo MSPchar u kombinací v datech midasu chybí. Pro korektní posouzení jednotlivých mezních stavů průřezu však program BIM a následně RCS samozřejmě potřebuje kombinace rozlišit. Toto roztřídění lze v BIM provést dodatečně manuálně po importu ve Správci kombinací, ale vhodnější a efektivnější je doplnit v midasu do pole Description příznaky pro rozlišení kombinace dle následující tabulky. Kombinace bez příznaku jsou automaticky považovány za kombinaci MSÚ.

3. Důsledné rozlišování stálých a proměnných stavů  v midas Civil 

Pro korektní práci programu BIM s importovanými zatěžovacími stavy je nutné správně rozlišit stálé a proměnné zatěžovací stavy již v midasu Civil pomocí parametru Type u každého z Load Cases. Zatěžovací stavy, které mají v midasu nastaven typ odpovídající stálým zatížením (Permanent Loads Case), se pak do BIMu importují jako stálé stavy (přesněji řečeno, skupina zatěžovacích stavů, pod kterou patří, je typu stálé). Zatěžovací stavy, které mají v midasu nastaven typ odpovídající proměnným zatížením (Transient Loads Case), se pak do BIMu importují jako proměnné stavy. Seznam jednotlivých stálých a proměnných typů je uveden na následujícím obrázku.  

4. Nepoužívat stálé zatěžovací stavy v Envelope kombinacích v midas Civil

Midas Civil a program BIM používají trochu odlišnou logiku při práci se stálými zatěžovacími stavy.  Midas Civil u kombinace typu Envelope nerozlišuje, jestli se jedná o stálý nebo proměnný stav, prostě matematicky vyhodnotí max a min obálku z definované množiny stavů. 

Naproti tomu v programu BIM při vyhodnocení obálkové kombinace z definované množiny stavů, která obsahuje jak stálé, tak proměnné stavy, jsou účinky stálých stavů vždy přičteny k obálce z ostatních proměnných stavů. Což vede k rozdílným vnitřním silám v midasu Civil a programu BIM. Těmto rozdílům ve vyhodnocení obálek však lze snadno předejít již v midasu Civil tím, že se nepracuje se stálými zatěžovacími stavy v rámci obálkových kombinací spolu s proměnnými zatíženími. Toto pravidlo se vztahuje pouze na stálé zatěžovací stavy

5. Při Construction stage analýze používat stálé stavy důsledně jen v rámci ní

Při použití fázované výstavby v midasu (Construction stage analýzy) je nutné mít na paměti způsob práce s importovanými stálými stavy.  Všechny zatěžovací stavy, které jsou výsledkem Construction stage analýzy (Dead load, Erection load, Tendon Primary, Tendon Secondary, Creep secondary, Shrinkage secondary), jsou do programu BIM automaticky naimportované jako typ stálý a program je považuje za výsledek fázované výstavby. Problém nastává, pokud je nějakému stavu, který není součástí construction stage analýzy, v midasu Civil chybně přiřazen typ odpovídající stálým stavům (Dead load, USER atd.). BIM stav importuje jako typ stálý a snaží se ho „umístit“ k výsledkům fázované výstavby. Ale neví, kam zatěžovací stav umístit, protože v midasu nebylo tato zatížení součástí nadefinované Construction stage analýzy. A program vypíše následující hlášku před výpočtem posudku průřezu: Kombinace není použitelná pro posouzení průřezů, protože stálé zatěžovací stavy obsažené v této kombinaci neodpovídají stálým zatěžovacím stavům definovaným ve fázích výstavby. 

Opět, těmto problémům lze velmi snadno předejít tím, že pomocí typu (viz bod 3) důsledně rozlišujeme stálé a proměnné stavy v midasu Civil a stálé zatěžovací stavy používáme jen v rámci Construction stage analýzy. Je tedy třeba se důsledně u proměnných stavů (PostCS analýza) vyhýbat v midasu typům, které jsou importovány do BIMu jako stálé stavy. Častá chyba je například používání typu USER, který se vždy importuje jako stálý a tudíž způsobí v předchozím odstavci popsané problémy.

Program BIM má navíc nástroj na kontrolu souladu stálých zatěžovacích stavů v posuzovaných kombinacích s fázemi výstavby v midas Civil, viz tlačítko Posudek kombinace na následujícím obrázku. 

6. Nastavení skupin zatěžovacích stavů a kontrola po importu

Všechny zatěžovací stavy importované do programu BIM jsou automaticky rozděleny do tzv. skupin zatěžovacích stavů. Tyto skupiny slouží pro vyhodnocení obálkových kombinací a pro správnou funkci programu je nutno dodržet pravidla definovaná níže.

Výsledky Construction stage analýzy (Dead load, Erection load, Tendon Primary, Tendon Secondary, Creep secondary, Shrinkage secondary) jsou importovány jako dílčí podstavy (pro začátek a konec každé fáze) a jsou automaticky přiřazeny do stejně pojmenované skupiny zatěžovacích stavů, která má vždy nastaven typ stálý. Toto se samozřejmě děje automaticky.

Výsledky PostCS analýzy (proměnné stavy) jsou rovněž automaticky přiřazeny do jednotlivých skupin zatížení, které odpovídají typu, který je stavům nastaven v midasu Civil - viz bod 3 tohoto článku. Pro správné zpracování zatěžovacích stavů v rámci obálkových kombinací v programu BIM je důležité, aby všechny zatěžovací stavy obsažené v jedné Obálkové kombinaci byly ve stejné skupině zatížení a ta měla nastaven typ Výběrová. Po importu je proto vhodné zkontrolovat, jestli mají všechny skupiny proměnných stavů nastavenou kombinaci typu výběrová.

Nesprávné přiřazení typu zatěžovacího stavu v midasu si ukážeme na příkladu Envelope kombinace Teplota, která vyhodnocuje obálku vnitřních sil ze dvou zatěžovacích stavů,

• TG+ nerovnoměrná změna teploty +
• TG- nerovnoměrná změna teploty -

Rozeberme situaci, kdy stavu TG+ bude v midasu přiřazen nepřesně typ Temperature (T) a zatěžovacímu stavu TG- typ Temperature gradient (TPG). Pro výsledky kombinace v midasu Civil nebude mít tato nepřesnost vliv a obálka bude korektní. Po importu do BIM budou stavy zařazeny do dvou (!) různých skupin zatížení, obě typu výběrové. Ale obálka Teplota převzatá z midasu bude v programu BIM vyhodnocena jako součet stavů TG+ a TG-. Proč se tak děje, je podrobně vysvětleno v tomto článku. 

7. Zapnout Additional steps v nastavení fází.

Stejně jako si BIM znovu sestavuje obálky proměnných zatížení, tak z dílčích výstupů z midasu Civil sestavuje i výsledky fázované výstavby - Construction stage analysis. Z midasu je proto potřeba exportovat výsledky jak na konci každé fáze (defaultní nastavení), tak na jejím začátku. Aby měl program BIM kompletní informace pro „zrekonstruování fázované výstavby“, je potřeba při exportování modelu s fázovanou výstavbou zatrhnout položku „Additional steps“ v dialogu nastavení fázované výstavby (Load -> Construction stage -> Define C.S.), a to pro všechny fáze. V případě, že tato položka není zapnuta, tak se v IDEA StatiCa BIM dodatečné kroky fáze vytvoří, ale nebudou naplněny hodnotami vnitřních sil. 

8. Doplnění nulového stavu do Envelope kombinace v midas Civil

Midas Civil se při vyhodnocování Envelope kombinace drží striktně matematické logiky a z definované množiny zatěžovacích stavů vyhodnotí jako minimum matematicky nejmenší hodnotu a jako maximum matematicky nejvyšší hodnotu.

Naproti tomu program BIM automaticky při vyhodnocení Obálkové kombinace proměnných zatížení vždy automaticky zohledňuje také situaci, kdy není na konstrukci aplikován žádný proměnný stav. Při vyhodnocení obálky ze stavů s účinky (v daném řezu konstrukce!) totožného, např. kladného znaménka, tak BIM vyhodnotí maximální kladnou hodnotu jako maximum a nulu jako minimum – ve smyslu žádné proměnné zatížení není na konstrukci. 

Jestliže jednotlivé zatěžovací stavy v Envelope kombinaci v midasu Civil dávají síly stejného znaménka, je nutné do Envelope kombinace doplnit nulový (prázdný) zatěžovací stav. Tím se také už v midasu zohlední skutečnost, že ze skupiny proměnných stavů v Envelope kombinaci nemusí být na konstrukci přítomen žádný.  A zajistí se soulad výsledků mezi midasem a programem BIM.

Pokud Envelope kombinace dává v jednotlivých řezech max a min hodnoty opačného znaménka (což je drtivá většina případů), není toto přidání nulového stavu do Envelope kombinace nutné.

9. Zohlednění součinitelů r_sup a r_inf pro posouzení MSP

Posudky mezních stavů použitelnosti MSP v IDEA StatiCa RCS automaticky zohledňují vliv součinitelů r_inf a r_sup, které jsou definované v EN 1992-1-1; 5.10.9 (1) pro účinky předpětí. Proto není nutné tyto součinitele zohledňovat při sestavování MSP kombinací v midas Civil. Aplikací těchto součinitelů již v midasu by došlo k jejich druhé aplikaci v RCS.

Je však zřejmé, že při návrhu mostu inženýr potřebuje vypočítat a zobrazit například obálky normálových napětí v krajních vláknech průřezu již v midasu. Před exportem do programu BIM je proto nutné tyto MSP kombinace včetně součinitelů r_sup  a r_inf nastavit v midasu jako neaktivní.

Druhou možností je pak importovat MSP kombinace včetně součinitelů, ale v RCS nastavit hodnoty součinitelů r_sup  a r_inf na hodnotu 1,0. Více informací k této problematice je v článku Jak se zohledňují součinitele r_inf a r_sup pro posudky MSP. 

10. Kontrola obálek mezi midas Civil a programem BIM

Je vždy nanejvýš vhodné provést kontrolu správnosti importovaných zatížení do programu BIM. To lze snadno provést porovnáním obálek vnitřních sil mezi midas Civil a IDEA StatiCa BIM. Například standardní postup v midasu Civil je, že jedna „konečná“ Envelope kombinace MSÚ sdružuje všechny dílčí MSÚ kombinace a nabízí se proto vždy po importu tuto konečnou obálku obálek porovnat s „zrekonstruovanými“ výsledky v BIMu.

Při porovnání obálek u výpočtového modelu s fázovaným (spřaženým) průřezem beton-beton se však projeví rozdíl mezi programem midas Civil a IDEA StatiCa BIM v uvažovaném těžišti průřezu pro vyhodnocení ohybových momentů. Program midas Civil vztahuje všechny vnitřní síly (včetně účinků předpětí) k těžišti aktuálního aktivovaného průřezu. V IDEA StatiCa jsou přes celou fázovanou výstavbu vnitřní síly přepočteny k těžišti finálního průřezu. Ohybové momenty a jejich obálky jsou tímto rozdílem v referenčním bodu, vůči kterému se vyhodnocují, samozřejmě ovlivněny. Proto u fázovaných průřezů je třeba mezi midasem a BIM porovnávat například obálky posouvajících sil. Více informací je uvedeno v článku Spřažené průřezy - rozdílné vnitřní síly v MIDAS Civil a IDEA StatiCa.