STUDI PERILAKU TEKUK TORSI LATERAL PADA BALOK BAJA BANGUNAN GEDUNG DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM ABAQUS 6.7. Oleh : RACHMAWATY ASRI ( )

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR STUDI PERILAKU TEKUK TORSI LATERAL PADA BALOK BAJA BANGUNAN GEDUNG DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM ABAQUS 6.7 Oleh : RACHMAWATY ASRI ( ) Dosen Pembimbing: Budi Suswanto, ST. MT. Ph.D Ir. Isdarmanu, M.Sc PROGRAM SARJANA LINTAS JALUR JURUSAN TEKNIK SIPIL Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2012

2 Bab 1. Pendahuluan Bab 2. Tinjauan Pustaka Bab 3. Metode Penyelesaian Bab 4. Pembebanan Sturktur Sekunder Bab 5. Pembebanan Struktur Utama Bab 6. Perencanaan Sambungan Bab 7. analisa Xtract v2.6.2 Bab 8. analisa Abaqus 6.7 Bab 9. Kesimpulan dan Saran

3 PENDAHULUAN

4 Latar Belakang Dalam perencanaan struktur, hampir semua balok hanya dirancang memikul momen lentur dan geser pada sumbu mayor saja, sedangkan dalam arah minor balok dianggap menyatu dengan lantai sehingga tidak diperhitungkan. Dalam kenyataannya perlu perancangan lentur dalam arah minor (penampang bi-aksial) termasuk jika timbul torsi. Terjadinya torsi pada tepi balok akibat beban lateral yang tidak seimbang mengakibatkan tekuk semakin besar. Fenomena tekuk biasanya disebabkan oleh balok baja yang sangat tipis sehingga mudah mengalami tekuk oleh karena itu dibutuhkan perhitungan analisa struktur pada profil baja yang mampu menerima torsi

5 Latar Belakang Analisa struktur menggunakan program SAP2000 versi 14. Untuk analisa penampang dengan menggunakan program Xtract versi dan analisa perilaku elemen struktur menggunakan program Abaqus 6.7. Difokuskan untuk mempelajari perilaku struktur bangunan gedung khususnya elemen struktur balok yang mengalami tekuk torsi lateral karena dalam perencanaan struktur, terjadinya tekuk dapat mengurangi kapasitas dari balok sehingga balok berdeformasi dan mengalami tekuk. Desain profil menggunakan profil wide flange (WF) karena pada perencanan struktur bangunan baja untuk desain struktur utamanya lebih banyak menggunakan profil WF dibandingkan profil yang lain, selain itu profil WF cenderung lebih menekuk pada bagian badan dibandingkan sayapnya akibat lenturan pada balok baja.

6 Perumusan masalah Permasalahan yang akan ditinjau dalam studi perilaku tekuk torsi lateral pada balok baja bangunan gedung dengan menggunakan Abaqus 6.7 ini antara lain: 1. Bagaimana menganalisa struktur bangunan baja khususnya pada elemen struktur balok dengan menggunakan program SAP2000 versi 14? 2. Bagaimana menganalisa elemen struktur balok baja profil WF yang mengalami tekuk torsi lateral dengan rumus empiris? 3. Bagaimana menganalisa penampang balok baja profil WF dengan menggunakan program Xtract versi 2.6.2? 4. Bagaimana mengetahui perilaku yang terjadi pada elemen struktur balok baja yang mengalami tekuk torsi lateral dengan menggunakan program Abaqus 6.7? 5. Bagaimana membandingkan perilaku elemen struktur portal khususnya pada balok dengan variasi beban lateral?

7 Tujuan Dari permasalahan yang ada diatas, adapun tujuan yang ingin dicapai dalam studi perilaku tekuk torsi lateral pada balok baja bangunan gedung dengan menggunakan Abaqus 6.7 ini adalah: 1. Dapat menganalisa struktur bangunan baja khususnya pada elemen struktur balok dengan menggunakan program SAP2000 versi Dapat menganalisa elemen struktur balok baja profil WF yang mengalami tekuk torsi lateral dengan rumus empiris. 3. Dapat menganalisa penampang balok baja profil WF dengan menggunakan program Xtract versi Dapat mengetahui perilaku yang terjadi pada elemen struktur balok baja yang mengalami tekuk torsi lateral dengan menggunakan program Abaqus Dapat membandingkan perilaku elemen struktur balok dengan variasi beban lateral.

8 Batasan Masalah Batasan masalah dalam studi perilaku tekuk torsi lateral pada balok baja bangunan gedung dengan menggunakan Abaqus 6.7 ini adalah: 1. Hanya mempelajari perilaku elemen struktur balok yang mengalami tekuk torsi lateral saja. 2. Tidak membahas rencana anggaran biaya dan metode pelaksanaan. 3. Tidak membahas struktur bangunan bawah (pondasi). 4. Analisa struktur menggunakan program SAP2000 versi 14, dan untuk minor analysis menggunakan program Xtract versi dan Abaqus 6.7.

9 TINJAUAN PUSTAKA

10 Tinjauan Pustaka Jika sebuah balok menerima beban yang terus bertambah searah sumbu y (pada bidang badan profil), maka pada suatu saat secara tibatiba akan terjadi perpindahan lateral dan torsi pada balok tersebut sehingga terjadilah tekuk torsi lateral (lateral torsional buckling). Tekuk torsi lateral adalah kondisi batas yang menentukan kekuatan sebuah balok. Sebuah balok mampu memikul momen maksimum hingga mencapai momen plastis (M p ). Tercapai atau tidaknya momen plastis, keruntuhan dari sebuah struktur balok adalah salah satunya peristiwa berikut: Tekuk lokal dari sayap tekan Tekuk lokal dari badan dalam tekan lentur Tekuk torsi lateral

11 Tinjauan Pustaka

12 METODE PENYELESAIAN

13 Metode Penyelesaian Mulai Studi literatur Preliminary desain A Analisa Penampang Balok (Xtract versi 2.6.2) Pembebanan Struktur (PPIUG 1983, SNI ) Analisa Perilaku Balok (Abaqus 6.7) Analisa Struktur (SAP2000 versi 14) Kontrol Penampang (SNI ) A Ya Tidak Perbandingan Perilaku Balok dengan variasi beban lateral Visualisasi Gambar (Hasil) Selesai

14 Preliminary Desain Balok Memanjang WF400x200x7x11 Balok Memanjang WF300x200x8x12 Kolom WF350x350x12x19 Balok Melintang WF600x200x11x17 Gambar 1. Tampak atas bangunan

15 Preliminary Desain +10,00 +5,00 -+0,00 Gambar 2. Potongan memanjang

16 Preliminary Desain Portal yang dimodelkan pada Abaqus ,00 +5,00 +0,00 - Gambar 3. Potongan melintang

17 Permodelan pada Abaqus 6.7 Pada Tugas Akhir ini untuk analisa dengan menggunakan Abaqus 6.7 dimodelkan dalam bentuk portal 3D. Daerah yang ditinjau untuk menentukan deformasi, tegangan dan regangan adalah sebagai berikut: Gambar 4. Permodelan portal 2D Gambar 5. Permodelan portal 3D pada Abaqus 6.7

18 Analisa Struktur Pada tahap ini dilakukan pemodelan dan analisa linier struktur dengan menggunakan SAP2000 versi 14 berdasarkan preliminary desain dan pembebanan yang telah direncanakan. Gambar 6. Permodelan SAP 2000 v14

19 PEMBEBANAN STRUKTUR

20 Pembebanan Struktur Lantai atap pelat (8x5) m 2 : beban mati = 391,1 kg/m 2 beban Hidup = 75,433 kg/m 2 pelat (6x5) m 2 : beban mati = 319,1 kg/m 2 beban Hidup = 85,627 kg/m 2 Lantai 1 pelat (8x5) m 2 : beban mati = 470,1kg/m 2 beban Hidup = 223,75 kg/m 2 pelat (6x5) m 2 : beban mati = 398,1 kg/m 2 beban Hidup = 244,139 kg/m 2

21 Kombinasi Pembebanan Peraturan pembebanan menggunakan RSNI x dengan kombinasi pembebanan sebagai berikut: COMB 1 : 1,4 D COMB 2 : 1,2 D + 1,6 L COMB 3 : 1,2 D + 0,5 L +1,3 W COMB 4 : 1,2 D + 0,5 L - 1,3 W COMB 5 : 1,2 D + 1 L + 1 E COMB 6 : 1,2 D + 1 L - 1 E COMB 7 : 0,9 D + 1E COMB 8 : 0,9 D - 1E dimana : D = Beban Mati L = Beban Hidup W = Beban Angin E = Beban Gempa

22 ANALISA STRUKTUR

23 Dimensi Struktur Utama Balok Induk Melintang Dimensi balok induk = WF 600x200x11x17 Balok Induk Memanjang Dimensi balok induk = WF 400x200x7x11 Kolom Dimensi kolom = WF 350x350x12x19

24 Analisa Struktur Balok Kontrol Dimensi Balok Induk Gaya maksimum balok berada pada frame 216 combo 5 (1,2 D+1 L+1 E) : Mu kanan = ,342 kg.m = 15758,516 kg.m Vu kanan Kontrol Kekuatan Penampang (Local Buckling) Kontrol tekuk lokal Sayap : = b = 200 2t f 2 17 = 5,88 < p = 170 = 170 = 10,75 ok f y 250 Badan : = = 522 t w 11 = 47,45 < p = 1680 = 1680 = 106,25 ok f y 250 Profil penampang kompak, maka M n = M p Kontrol tekuk lateral L b = 400 L p = 205,095 L r = 605,408 L p < L b < L r bentang menengah (perilaku inelastis)

25 Analisa Struktur Balok Faktor distribusi momen : 33197,342 kgm C b = 12.5 M max 2.5M max +3M A +4M B +3M C 2,3 8748,236 kgm 12, ,342 = = 1,733 2,3 2, , , , ,24 8m MA MB MC Mmax Kuat nominal komponen struktur : M r = S x f y f r = = kgcm M p = Z x f y = = kgcm M n = C b M r + M p M r M n = 1, L r L M L r L p p 605, , ,095 = ,3 kgm kgm Dipakai nilai M n = M p = kgm M u < b M n 33197,342 kgm < 0, = 64417,5 kgm ok

26 Analisa Struktur Balok Kontrol Lendutan Lendutan ijin f = L = Y max = 5 L2 = 48 EI = 3,33 cm M lap 0,1 M kiri M kanan = 0,00448 cm < 3,33 cm ok Kontrol Kuat Geser 12851,48 0, , , ,455 69,57 geser plastis t w f y V n = 0,6 f y A w = 0, ,1 = kg Syarat : V u < V n = 15758,516 kg < 0, kg 15758,516 kg < kg ok

27 DESAIN SAMBUNGAN

28 Desain Sambungan Sambungan Balok Anak dengan Balok Induk Profil Balok Anak : WF 300x200x8x12 Profil Balok Induk : WF 600x200x11x17 Direncanakan : profil siku 60x60x6 (fu b = 8250 kg/cm 2 ) Baut Ø 16 mm (A baut = 2,0106 cm 2 ) Dipasang 2 baut pada setiap sisi 60X60X6 Tulangan negatif mm WF 300X200X8X12 WF 600x200x11x17 Gambar 7. Sambungan balok anak dengan balok induk

29 Desain Sambungan Sambungan Balok Induk dengan Kolom Direncanakan menggunakan : Baut : A 325 Mutu baut : 8250 kg/cm 2 Ulir pada bidang geser (r 1 = 0,5) Siku penyambung 100 x100 x10 Profil T 900x300x16x28 Diameter baut : 20 (pelat siku) 20 (profil T) WF 350x350x12x19 30 mm 20 mm T 900x300x16x28 30 mm L 100x100x10 WF 600x200x11x17 T 900x300x16x28 30 mm 30 mm Potongan profil WF 600x200x11x17 Gambar 8. Sambungan balok indukdengan kolom

30 ANALISA KAPASITAS PENAMPANG (XTRACT V2.6.2)

31 Analisa Xtract v2.6.2 Analisa Kapasitas Penampang Balok Dari hasil Analysis Report penampang balok WF 600x200x11x17 dapat dilihat bahwa, Kuat momen nominal : Mn = 746, Nm = kgm Maka, M u = M n = 0, = kgcm Gambar 9. Hasil Analysis Report pada Xtract v2.6.2

32 ANALISA PERILAKU BALOK (ABAQUS 6.7)

33 Analisa Perilaku Balok Pada Abaqus 6.7 untuk mengetahui tegangan yang terjadi pada struktur portal dapat ditunjukkan dengan melihat warna pada struktur portal tersebut. Semakin merah warnanya maka tegangan yang terjadi semakin besar. Berikut ini hasil visualisasi akibat beban lateral mulamula. Gambar 10. Hasil visualisasi akibat beban lateral awal

34 Analisa Perilaku Balok Gambar 11. Hasil visualisasi akibat beban lateral (15ton) Gambar 12. Hasil visualisasi akibat beban lateral (20ton) Gambar 13. Hasil visualisasi akibat beban lateral (25ton) Gambar 14. Hasil visualisasi akibat beban lateral (30ton)

35 Analisa Perilaku Balok Gambar 15. Hasil visualisasi akibat beban lateral (35ton) Gambar 16. Hasil visualisasi akibat beban lateral (40ton) Gambar 17. Hasil visualisasi akibat beban lateral (45ton) Gambar 18. Hasil visualisasi akibat beban lateral (50ton)

36 Analisa Perilaku Balok Displacement (titik 1) Displacement (titik 2) Displacement (mm) Variasi Beban Lateral (N/mm 2 ) U1 U2 U3 Displacement (mm) Variasi Beban Lateral (N/mm 2 ) U1 U2 U3 Displacement (mm) Displacement (titik 3) Variasi Beban Lateral (N/mm2) U1 U2 U3 Gambar 20. grafik displacement akibat beban lateral pada titik 1, 2 dan 3

37 Analisa Perilaku Balok Tegangan (MPa) Tegangan (titik 1) Variasi Beban Lateral (N/mm 2 ) Tegangan (MPa) S11 S22 S33 S12 S13 S23 Tegangan (Mpa) Tegangan (titik 3) Variasi Beban Lateral (N/mm 2 ) Tegangan (titik 2) Variasi Beban Lateral (N/mm 2 ) S11 S22 S33 S12 S13 S23 S11 S2 2 S3 3 S12 Gambar 21. Grafik tegangan akibat beban lateral pada titik 1, 2 dan 3

38 Analisa Perilaku Balok Regangan Regangan (titik 1) Variasi Beban Lateral (N/mm 2 ) E11 E22 E33 E12 E13 E23 Regangan Regangan (titik 2) Variasi Beban Lateral (N/mm 2 ) E11 E22 E33 E12 E13 E23 Regangan Regangan (titik 3) Variasi Beban Lateral (N/mm 2 ) E11 E22 E33 E12 E13 E23 Gambar 22. Grafik regangan akibat beban lateral pada titik 1, 2 dan 3

39 Kesimpulan Dari hasil analisis SAP 2000 v14 dan perhitungan yang telah dilakukan pada struktur bangunan gedung, perencanaan dimensi profil pada balok anak (WF 300x200x8x12), balok induk melintang (WF 600x200x11x17), balok induk memanjang (WF 400x200x7x11) dan kolom (WF 350x350x12x19) sudah memenuhi kontrol kekuatan profil. Dari hasil perhitungan manual dan analisa menggunakan Xtract v2.6.2 dapat disimpulkan bahwa pada penampang balok, momen nominal hasil Xtract jauh lebih besar dibandingkan hasil perhitungan manual. Dari hasil analisa perilaku balok mengalami displacement maksimum pada arah Y (U2) sebesar 8,377 mm yang ditinjau ditengah bentang balok (titik 2) dengan beban lateral mula-mula sebesaru 9,05 ton (6,817 N/mm 2 ).

40 Kesimpulan Untuk nilai tegangan yang terjadi pada balok didapatkan hasil tegangan maksimum berada pada pertemuan balok dengan kolom (titik 3). Dengan beban lateral sebesar 50 ton (37,655 N/mm 2 ), balok mengalami tegangan sebesar 593 MPa pada arah Z (S33), hal tersebut membuktikan bahwa balok sudah mengalami kelelehan. Dari hasil nilai regangan yang terjadi diperoleh penampang balok mengalami regangan maksimum pada pertemuan antara Y dan Z (E23) yaitu sebesar -0, Dengan diberikannya variasi beban lateral yang semakin bertambah maka displacement, tegangan dan regangan yang terjadi ikut mengalami kenaikan hingga melebihi batas leleh dari penampang tersebut.

41 Saran Perlu dilakukan studi yang lebih mendalam untuk mengetahui perilaku balok agar menghasilkan perencanaan struktur yang lebih baik. Seperti dengan memasang stiffener pada daerah joint antara balok dan kolom agar kelelehan akibat beban lateral yang semakin bertambah tidak terjadi dan usahakan sendi plastis terjadi pada muka balok. Gaya momen pada balok perlu dimodelkan dengan gaya geser kolom yang dijadikan momen kopel agar gaya momen dapat terdefinisikan. Pada tahap pengisian Plastisitas Material pada tahap property, sebaiknya nilai yield stress (f y ) dan plastic strain perlu ditambahkan hingga mencapai kondisi putus (f u ) agar saat diberi beban yang semakin besar perilaku struktur yang terjadi tidak linier. Perlu dilakukan imperfection case pada Abaqus 6.7 agar tekuk torsi lateral dapat terjadi pada balok.

42 TERIMA KASIH