BAB II DASAR TEORI. baja yang dipakai adalah Baja Karbon (Carbon Steel) dengan sebutan Baja ASTM

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI 2.1 Sifat Baja Struktural Pengenalan baja struktural sebagai bahan bangunan utama pada tahun 1960, baja yang dipakai adalah Baja Karbon (Carbon Steel) dengan sebutan Baja ASTM (American Society for Testing Material) ditandai dengan A7 yang mempunyai tegangan leleh minimum 33 ksi (1 ksi = 1000 psi). Baja yang dipergunakan dalam pekerjaan struktural yang diproses secara penggilingan panas (Hot Rolled) dapat dibedakan menjadi 3 yaitu : a) Baja Karbon Dapat disebut dengan baja karbon apabila baja tersebut mengandung unsur bukan besi dengan persentase maksimum sebagai berikut : Karbon 1.7 Mangan 1.65 Silikon 0.6 Tembaga 0.6 Baja karbon struktural ini memiliki titik leleh seperti ditunjukkan pada kurva (a) pada gambar b) Baja Panduan Rendah Mutu Tinggi (High Strength Low Alloy Steel / HSLA) Kategori ini meliputi baja yang memiliki tegangan lelehnya berkisar antara 40 dan 70 ksi (275 Mpa dan 480 Mpa) dengan titik leleh yang ditunjukkan UNIVERSITAS MERCUBUANA II - 1

2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA pada kurva (b) dalam gambar Baja ini dipakai pada penggilingan panas atau penormalan (tanpa perlakuan panas) c) Baja Paduan (Low Alloy) Baja paduan rendah dapat didinginkan didalam air (quenched) dan dipanasi kembali (tempered) untuk memperoleh kekuatan leleh sebesar 80 sampai dengan 110 ksi (550 Mpa sampai 760 Mpa). Mpa). Kekuatan leleh biasanya didefinisikan sebagai tegangan pada regangan tetap 0.2% karena baja ini tidak menunjukkan titik leleh yang jelas. Kurva tegangan regangan dapat dilihat pada kurva (c) gambar Gambar 2.1 Mutu baja terbagi dalam beberapa mutu yang berbeda. Mutu baja yang sering digunakan diantaranya JIS G 3101 SS400 (Setara ASTM A36), JIS G 3106 SM 490 (setara dengan ASTM A572), HPS 70 (High Performance Steel). Yang membedakan dari ketiga mutu baja diatas adalah material properties, yield strength dan tensile strengthnya (Salmon, 1994). UNIVERSITAS MERCUBUANA II - 2

3 Untuk tujuan perencanaan, tegangan leleh tarik adalah besaran yang digunakan oleh spesifikasi, seperti AISC, sebagai variable sifat bahan untuk menetapkan tegangan ijin terhadap berbagai macam pembebanan. Besarnya tegangan pada kurva tegangan-regangan ditentukan dengan membagi beban dengan luas penampang lintang semula benda uji dan besarnya regangan dihitung sebagai perpanjangan dibagi dengan panjang semula. Hal ini dapat dituliskan dalam rumus (2) Tegangan Regangan σ = Tegangan = Regangan : σ = : = A N L Lo = Luas Penampang melintang spesimen tarik = Beban tarik yang diberikan = Pertambahan panjang antara dua titik acuan pada spesimen = Panjang semula diantara dua titik acuan Rasio tegangan dan regangan pada daerah garis lurus awal disebut modulus elastisitas, atau modulus young E, yang secara pendekatan dapat diambil sebesar ksi ( Mpa) untuk baja struktural. UNIVERSITAS MERCUBUANA II - 3

4 2.2 Perencanaan Struktur Perencanaan struktur bisa didefinisikan sebagai paduan dari seni dan ilmu, yang menggabungkan tentang prinsip statika, dinamika, mekanika bahan dan analisa struktur, untuk mendapatkan struktur yang ekonomis dan aman serta sesuai dengan tujuan pembuatannya. Serta merupakan suatu proses untuk menghasilkan penyelesaian optimum. Tujuan dari perencanaan struktur menurut Tata Cara Perencanaan Struktur Baja untuk Bangunan Gedung (SNI ) adalah menghasilkan suatu struktur yang stabil, cukup kuat, mampu layan, awet dan memenuhi tujuan-tujuan lainnya seperti ekonomi dan kemudahan pelaksanaan. Suatu struktur disebut stabil jika tidak mudah terguling, miring, atau tergeser selama umur rencana bangunan. Perencanaan adalah sebuah proses untuk mendapatkan hasil yang optimum. Suatu struktur dikatakan optimum apabila memenuhi kriteria-kriteria berikut : a. Biaya minimum b. Berat minimum c. Waktu konstruksi yang minimum d. Tenaga kerja minimum e. Biaya produksi yang minimum bagi pemilik konstruksi f. Efisiensi operasi maksimum bagi pemilik konstruksi Kerangka pemilihan struktur adalah dilakukan pemilihan susunan dan ukuran dari elemen struktur sehingga beban yang bekerja dapat dipikul secara aman, dan perpindahan yang terjadi masih dalam batas-batas yang disyaratkan. UNIVERSITAS MERCUBUANA II - 4

5 2.2.1 Macam Type Hanggar Dalam struktur hanggar disini terdapat berbagai macam type atau model yang sering dipergunakan (gambar 2.2) Diantaranya yaitu : 1. Type Scissors 2. Type Polynesian 3. Type Clerestory 4. Type Vaulted Parallel Chord 5. Type Gambrel 6. Type Cantilevered Mansard Wiparapets 7. Type Vault 8. Type Room in attic 9. Type Hip 10. Type Flat Vault 11. Type Dual Pitch 12. Type Studio Vault 13. Type Bowstring 14. Type Mono 15. Type Tray or Coffer 16. Type Double Cantilever 17. Type Half Hip 18. Type Half Scissors 19. Type Barrel Vault 20. Type Tri Bearing UNIVERSITAS MERCUBUANA II - 5

6 21. Type Sloping Flat 22. Type Multi piece 23. Type Double Enverted Untuk perencanaan hanggar truk, yang akan digunakan adalah type Browstring Pembebanan Penentuan beban yang bekerja pada struktur atau elemen struktur secara tepat tidak bisa selalu dilakukan. Walaupun lokasi beban pada struktur diketahui, distribusi beban dari elemen ke elemen pada struktur biasanya membutuhkan anggapan dan pendekatan. Berdasarkan SNI tentang Pedoman Perencanaan untuk Rumah dan Gedung ada beberapa jenis beban yang bekerja antara lain : a. Beban Mati Beban mati adalah berat dari semua bagian dari suatu gedung/ bangunan yang bersifat tetap selama masa layan struktur, termasuk unsur-unsur tambahan, finishing, mesin-mesin serta peralatan tetap yang tidak berpindah. b. Beban Hidup Beban hidup adalah semua beban yang terjadi akibat penghunian atau penggunaan suatu gedung, serta barang-barang yang dapat berpindah. c. Beban Angin Beban angin adalah semua beban yang bekerja pada gedung atau bagian gedung yang disebabkan oleh selisih dalam tekanan udara. Beban angin ditentukan dengan menganggap adanya tekanan positip dan tekanan negatif (angin isap), yang bekerja tegak lurus pada bidang-bidang yang UNIVERSITAS MERCUBUANA II - 6

7 ditinjau. Besarnya tekanan positif dan tekanan negatif ditentukan dengan cara mengalihkan tekanan tiup yang ditentukan untuk berbagai kondisi dengan koefisien-koefisien angin yang ditentukan. d. Beban Gempa Beban gempa ialah semua beban statik ekuivalen yang bekerja pada struktur akibat adanya pergerakan tanah oleh gempa bumi baik pergerakan arah vertikal maupun horizontal. Berdasarkan SNI diatur berbagai kombinasi ultimit dengan memberikan faktor-faktor beban pada masing-masing komponen atau jenis beban. Kombinasi beban ultimit adalah sebagai berikut : 1. 1,4 DL ,2DL + 1,6LL + 0,5 ( atau H) ,2DL + 1,6LL + 0,5 ( atau H) + ( γ L atau 0,8 W) ,2DL + 1,6LL + γ LL + 0,5 ( atau H) ,2DL ± 1,0 E + γ LL ,9DL ± (1,3W atau 1,0 E) DL LL H W E = Beban mati = Beban Hidup = Beban hidup di atap yang ditimbulkan selama perawatan = Beban hujan = Beban angin = Beban Gempa UNIVERSITAS MERCUBUANA II - 7

8 Dengan, γ = 0,5 bila LL < 5 kpa dan γ = 1 bila LL 5 kpa 2.3 Tinjauan Desain Struktur Baja Tinjauan desain struktur baja harus direncanakan dapat memikul beban yang lebih besar dari perkiraan pemakaian beban normal. Berdasarkan tegangan leleh dan tegangan putusnya menurut SNI mengklasifikasikan mutu dari material baja menjadi 5 kelas mutu sebagai berikut : Jenis Baja Tegangan Putus Minimum, (MPa) Tegangan Leleh minimum, (MPa) Tegangan Dasar (MPa) Regangan minimum (%) BJ BJ BJ BJ BJ Tabel 2.1 Nilai Tegangan Leleh dan Tegangan Putus untuk berbagai mutu baja MPa = Mega Pascal Satuan sistem internasional 1 MPa = 10 kg/cm 2 Nilai-nilai yang tercantum pada tabel diatas adalah untuk elemen-elemen yang tebalnya kurang dari 40 mm. Untuk elemen-elemen yang tebalnya lebih dari 40 mm, tetapi kurang dari 100 mm, harga-harga pada tabel di atas harus dikurangi 10%. UNIVERSITAS MERCUBUANA II - 8

9 Sifat-sifat mekanis lainnya baja struktural untuk maksud perencanaan berdasarkan SNI ditetapkan sebagai berikut : Modulus Elastis : E : Mpa Modulus Geser : G : Mpa Nisbah Poisson : µ : 0,3 Koefisien Pemuaian : α : 12 x 10-6 l C 2.4 Desain Struktur Baja dengan Menggunakan Metode LRFD (Load Resistance Factor Design) Komponen Struktur Tarik Batang tarik sering dijumpai pada struktur baja sebagai batang struktural pada rangka jembatan dan atap, serta pada struktur rangka jembatan seperti menara tranmisi dan system pengaku terhadap angin pada gedung bertingkat banyak. Batang tarik dapat berupa profil tunggal seperti, batang bulat, plat strip atau dibuat dari sejumlah profil struktural seperti siku, kanal, I, H. Untuk syarat kekuatan struktur tarik ini, komponen struktur yang memikul gaya tarik aksial terfaktor harus memenuhi : φ Dengan φ adalah kuat tarik rencana yang besarnya diambil sebagai nilai terendah diantara dua perhitungan menggunakan harga-harga φ dan dibawah ini : φ = 0, UNIVERSITAS MERCUBUANA II - 9

10 = Ag. fy dan φ = 0, = Ae. fu = Luas penampang bruto, mm 2 = Luas penampang efektif, mm 2 = Tegangan leleh, Mpa = Tegangan tarik putus, Mpa Penampang efektif : Luas penampang efektif komponen yang mengalami gaya tarik ditentukan sebagai berikut : = A.U A = Luas penampang, mm 2 U = Faktor Reduksi = 1 (X/L) 0,9 X = Eksentrisitas sambungan, jarak tegak lurus arah gaya tarik, antara titik berat penampang komponen yang disambung dengan bidang sambungan, mm Komponen Struktur Tekan Kolom tiang, tonggak dan batang desak adalah batang yang mengalami tegangan tekan aksial, tetapi jarang sekali hanya mengalami tekanan aksial saja. Namun, bila pembebanan ditata sedemikian rupa hingga pengekangan (restraint) rotasi ujung dapat diabaikan atau beban dari batang-batang yang bertemu diujung kolom bersifat simetris dan pengaruh lentur sangat kecil dibandingkan tekanan UNIVERSITAS MERCUBUANA II - 10

11 langsung, maka batang tekan dapat direncanakan dengan aman sebagai kolom yang dibebani secara konsentris. Suatu komponen struktur yang mengalami gaya tekan konsentris akibat beban berfaktor, harus memenuhi persyaratan sebagai berikut : φ φ = Faktor reduksi kekuatan = Kuat tekan nominal komponen struktur Perbandingan kelangsingan Kelangsingan elemen penampang < λ Kelangsingan komponen struktur tekan, λ = < 200 Komponen struktur tekan yang elemen penampangnya mempunyai perbandingan lebar terhadap tebal lebih besar daripada nilai λ yang ditentukan harus direncanakan dengan analisis rasional yang dapat diterima. Daya dukung nominal komponen struktur tekan dihitung sebagai berikut : =. = ω = ω Untuk λ 0,25 maka ω = 1,00 Untuk 0,25 < λ < 1,2 maka ω =,,, λ! Untuk λ 1,2 maka ω = 1,25 λ UNIVERSITAS MERCUBUANA II - 11

12 = Luas penampang bruto, mm 2 = Tegangan kritis penampang, Mpa = Tegangan leleh material, Mpa Dengan parameter kelangsingan kolom ditentukan berdasarkan : λ =. π.. # $ % r = Panjang tekuk = Jari-jari girasi Komponen Struktur Lentur dan Geser Balok umumnya dipandang sebagai batang yang memiliki beban grafitasi transversal, termasuk momen ujung. Balok adalah gabungan dari elemen tarik dan elemen tekan sehingga akan melentur. Suatu struktur yang memikul lentur terhadap sumbu kuat, harus memenuhi : & φ.& & = Momen lentur terfaktor φ = Faktor reduksi = 0,9 & = Kuat nominal dari momen lentur penampang Kelangsingan komponen yang memikul lentur ditentukan oleh a) Untuk penampang kompak λ λ ' & = & ' b) Untuk penampang tak kompak λ ' λ λ ' UNIVERSITAS MERCUBUANA II - 12

13 & = & ' - (& ' - & ) λ λ ( λ ) λ ( c) Untuk penampang langsing λ λ & = &. ( λ ) λ ) Untuk momen kritis & ditentukan oleh, Profil I dan Kanal ganda & = * +. π #,-../+( π.$ ) Kuat komponen struktur dalam memikul momen lentur tergantung dari panjang batang antara dua pengekang lateral yang berdekatan, L. Batas-batas bentang pengekang lateral ditentukan oleh : Untuk profil I dan Kanal ganda, 1. Bentang Pendek Untuk komponen struktur yang memenuhi L ', kuat nominal komponen struktur lentur adalah, & = & ' Dimana & ' = x Z Bentang Menegah Untuk komponen struktur yang memenuhi ' L, kuat nominalkomponen struktur lentur adalah, & = * + [& + (& ' - & ) ( ) ( ] & ' Bentang panjang UNIVERSITAS MERCUBUANA II - 13

14 Untuk komponen struktur yang memenuhi ' L kuat nominal komponen struktur lentur adalah, & = & & ' Dimana, ' = 1,76 5 # $ = # = 5 [ ] #1+ :1+ ;! ;! = < = π = #$>?! <! = >? * + =! ) 6 A !,B.C DEA!,B.C DEA F C G F C H F C I 2, = Jari-jari girasi terhadap sumbu lemah - J = Konstanta puter lengkung J = Konstanta punter torsi & = Momen pada 1L 4 bentang & M = Momen pada 1L 2 bentang & N = Momen pada 3L 4 bentang Kuat geser pada pelat badan harus memenuhi, P φ P UNIVERSITAS MERCUBUANA II - 14

15 P = Kuat geser nominal pelat badan φ = faktor reduksi = 0,9 Kuat geser nominal pelat badan harus diambil seperti yang ditentukan dibawah ini : a. Jika perbandingan maksimum tinggi terhadap tebal panel h L R, memenuhi J ( h L R ) 1,10 # S T.$ Dengan, U = 5 + B V L W Maka kuat geser nominal : P = 0,6.. J b. Jika perbandingan maksimum tinggi terhadap tebal panel h L R, memenuhi J 1,10. # S T.$ h L R 1,37 J # S T.$ Maka kuat geser nominal : P = 0,6.. J. [1,10. # S T.$ ] VL XY atau P = 0,6.. J.[ * Z + Dengan ( N [ ) ,B #F( L W V) * Z = 1,10 : % T $6 ( V L X ) Y UNIVERSITAS MERCUBUANA II - 15

16 c. Jika perbandingan maksimum tinggi terhadap tebal panel h L R, memenuhi J 1,37 # S T.$ ( h L R ) J Maka kuat geser nominal : P =,\ Y T] W ) ( V LX Y Jika momen dianggap dipikul oleh seluruh penampang, maka selain memenuhi, balok harus direncanakan untuk memikul kombinasi lentur dan geser, yaitu : C T + 0,625 ^_ 1, φ C T φ ^T P = Kuat geser nominal pelat badan akibat geser saja, N & = Kuat lentur nominal balok, N-mm Komponen Struktur Yang Mengalami Gaya Kombinasi Untuk komponen struktur prismatik yang mengalami kombinasi gaya aksial, momen lentur (terhadap satu atau kedua sumbu simetris penampang), dan torsi. Komponen struktur yang mengalami momen lentur dan gaya aksial harus direncanakan memenuhi ketentuan sebagai berikut : Untuk _ φ T 0,2 _ + ` ( C _A - C _ ) 1, φ _ \ φ a C TA φ a C T Untuk _ φ T < 0,2 UNIVERSITAS MERCUBUANA II - 16

17 _!φ _ + ( C _A φ a C TA + C _ φ a C T ) 1, = Gaya aksial (tarik dan tekan) terfaktor, N = Kuat nominal penampang, N φ = Faktor reduksi kekuatan & 4, & = Kuat nominal lentur penampang terhadap sumbu x dan sumbu y, Nmm φ = 0,9 = Faktor reduksi kuat lentur Untuk komponen struktur bergoyang, momen lentur terfaktor dapat dihitung sebagai berikut : & = δ + & X + δ = & bx & X = Momen lentur terfaktor orde pertama yang diakibatkan oleh beban-beban yang tidak menimbulkan goyangan & bx = Momen lentur terfaktor orde pertama yang diakibatkan oleh beban-beban yang dapat menimbulkan goyangan δ + δ = = Faktor amplifikasi momen untuk struktur tak bergoyang = Faktor amplifikasi momen untuk struktur bergoyang Faktor amplifikasi momen untuk struktur bergoyang dan tak bergoyang dapat dihitung sebagai berikut : δ + = N D ( c _ c )a ) 1, UNIVERSITAS MERCUBUANA II - 17

18 δ = = Atau δ = = Σ d _ ( ef g 8 ) 1, ( Σc _ Σc )h ) Σ = Jumalah gaya akibat tekan terfaktor akibat gravitasi untuk seluruh kolom pada satu tingkat yang ditinjau, N = iv ΣH = Gaya tekuk elastis komponen struktur bergoyang, N = Simpangan antar lantai pada tingkat yang ditinjau, mm = Jumlah gaya horisontal yang menghasilkan iv, pada tingkat yang ditinjau, N L = Tinggi tingkat, mm * j = Faktor yang menghubungkan diagram momen aktual dengan diagram momen ekuivalen 2.5 Desain Sambungan Baut Setiap struktur adalah gabungan dari bagian-bagian tersendiri atau batangbatang yang harus disambung bersama (biasanya diujung batang) dengan beberapa cara seperti pengelasan dan penyambungan menggunakan baut. Baut itu sendiri ada bermacam-macam jenisnya seperti kekuatan tinggi dan baut mesin/ hitam. Suatu baut yang memikul gaya terfaktor, k, harus memenuhi : k φ k UNIVERSITAS MERCUBUANA II - 18

19 φ k = Faktor reduksi kekuatan = Kuat nominal baut Baut dalam geser Kuat geser rencana dari satu baut dihitung sebagai berikut : + P l = φ P = φ = 0,5 = baut tanpa ulir pada bidang geser 5 = 0,4 = baut dengan ulir pada bidang geser φ = 0,75 = Faktor reduksi kekuatan untuk fraktur + + = Tegangan tarik putus baut = Luas bruto penampang baut pada daerah tak berulir Baut yang memikul gaya tarik m l = φ m = φ 0, Baut pada sambungan tipe tumpu yang memikul kombinasi geser dan tarik Baut yang memikul gaya geser terfaktor P dan gaya tarik terfaktor m, secara bersamaan harus memenuhi kedua persyaratan berikut ini : Z = ^_ a φ 5 + m m l = φ m = φ X + n _ UNIVERSITAS MERCUBUANA II - 19

20 X - 5! Z! φ = 0,75 n m = Faktor reduksi kekuatan untuk fraktur = Jumlah baut = Jumlah bidang geser Untuk baut mutu tinggi : = 807 Mpa! = 621 Mpa 5! = 1,9 untuk baut dengan ulir pada bidang geser 5! = 1,5 untuk baut tanpa ulir pada bidang geser Untuk baut mutu normal : = 410 Mpa! = 310 Mpa 5! = 1, Kuat Tumpu Baut Kuat tumpu rencana tergantung pada yang terlemah dari baut atau komponen pelat yang disambung. Apabila jarak lubang tepi terdekat dengan sisi pelat dalam arah kerja gaya lebih besar daripada 1,5 kali diameter lubang, jarak antar lubang lebih besar daripada 3 kali diameter lubang, dan ada lebih dari satu baut dalam arah kerja gaya, maka kuat rencana tumpu dapat dihitung sebagai berikut : + k l = φ k = 2,4 φ o + R ' UNIVERSITAS MERCUBUANA II - 20

21 φ = 0,75 o + R ' + = Faktor reduksi kekuatan untruk fraktur = Diameter baut nominal pada daerah tak berulir = Tebal pelat = Tegangan tarik putus baut 2.6 Perhitungan Material Perhitungan material yang digunakan dapat dilakukan dengan melakukan 2 cara perhitungan, yaitu : a. Menghitung jumlah pemakaian seluruh batang b. Menghitung jumlah berat material yang dipakai UNIVERSITAS MERCUBUANA II - 21