BAB IV PERENCANAAN STRUKTUR. lantai, balok, kolom dan alat penyambung antara lain sebagai berikut :

Transkripsi

1 BAB IV PERENCANAAN STRUKTUR 4.1 Pendahuluan Pada bab ini menjelaskan tentang perencanaan struktur gedung untuk penempatan mesin pabrik pengolahan padi PT. Arsari Pratama menggunakan profil baja. Pada kajian ini, hanya dikhususkan pada perencanaan ulang struktur bagian atas. Proses perencanaan struktur atas dihitung mulai dari plat lantai, balok, kolom dan alat penyambung antara lain sebagai berikut : a. Perencanaan plat lantai b. Perencanaan balok c. Perencanaan kolom d. Perencanaan sambungan antar profil baja (menggunakan baut) Dimana dasar perhitungan mengacu pada standar perencanaan struktur baja SNI dan program bantu SAP2000 v Data-data Struktur Geometrik struktur antara lain sebagai berikut : a. Jarak antar portal : 5m b. Bentang portal : 4,5m dan 7,5m Dimensi Profil Perencanaan Lama (Existing) Diketahui dimensi penampang profil existing antara lain : 1. Balok B1 B1A B2 : WF 600x200x11x17 : WF 700x300x13x24 : WF 500x200x10x16 IV - 1

2 B3 B4 B5 B6 : WF 450x200x9x14 : WF 400x200x8x13 : WF 350x175x7x11 : WF 300x150x6,5x9 2. Kolom K3 K4 K5 : WF 400x400x13x21 : WF 300x300x10x16 : KC 400x400x13x Pembebanan Beban rencana yang bekerja pada struktur bangunan untuk mesin antara lain : 1) Beban mati Beban mati atau beban tetap yang direncanakan bekerja meliputi berat sendiri struktur terdiri dari berat sendiri penampang profil yang digunakan. Profil struktur direncanakan menggunakan profil yang lebih kecil dibandingkan hasil perencanaan lama. 2) Beban hidup Beban hidup rencana untuk pembebanan pada struktur berdasarkan pada data pembebanan pada denah pembebanan mesin 3) Beban Gempa Berdasarkan perhitungan nilai hasil test penetrasi strandar rata-rata dengan mengkonversi nilai qc = 4NSPT (Mayerhof,1965), maka didapat klasifikasi jenis tanah lunak dengan nilai N <15. IV - 2

3 Wilayah indramayu masuk ke dalam zone gempa 3 sesuai SNI Perencanaan Struktur Rangka Portal Penentuan Dimensi Profil (Preliminary Design) Penampang Profil 1. Balok B1 B1A B2 B3 B4 B5 B6 B9 : WF 500x200x10x16 : WF 600x200x11x17 : WF 400x200x8x13 : WF 400x200x8x13 : WF 350x175x7x11 : WF 300x150x6,5x9 : WF 250x125x6x9 : WF 700x300x13x24 2. Kolom K3 K4 K5 : WF 300x300x10x15 : WF 250x250x9x14 : WF 800x300x14x26 Rencana perubahan struktur kolom dimana pada grid F awalnya menggunakan profil K5, dicoba untuk dikombinasikan menggunakan K3 dan K5 serta pada area grid 14 dan grid 15 dimana awalnya hanya menggunakan profil B1A dicoba direduksi dan dikombinasikan dengan B1A hasil reduksi dan B9 menyesuaikan pembebanan yang direncanakan. IV - 3

4 Spesifikasi Bahan Sifat mekanis jenis baja BJ37 antara lain : 1. Tegangan putus minimum (fy) : 240 MPa 2. Tegangan leleh minimum (fu) : 370 Mpa 3. Peregangan minimum : 22% 4. Modulus elastisitas (E) : Mpa 5. Modulus geser (G) : Mpa 6. Nisbah poisson ( ) : 0,3 7. Koefisien pemuaian ( ) : 12 x 10 6 / 0 c Pemodelan 3D pada SAP2000 v Membuka File SAP2000 v.14 Buka file SAP2000 v.14 dengan klik All Programes > Computer and Structures>SAP2000 v.14. Atur satuan yang digunakan menjadi N, mm, C Gambar 4.1 Membuka program SAP2000 v.14 klik toolbar New Model > pilih Grid Only > OK IV - 4

5 Gambar 4.2 Menentukan Template Pembuatan Grid Klik kanan pada layar kemudian Edit Grid Data > Modify/Show System sehingga muncul jendela seperti pada gambar 4.5 dibawah ini. Nama grid Jarak antar grid Satuan yang digunakan Display grid Gambar 4.3 Grid System Data IV - 5

6 Membuat grid sesuai geometrik struktur. Mengisikan jarak pada kolom Ordintate. ListBox X Grid Data merupakan pembuatan grid pada arah horizontal (sejajar sumbu x, ListBox Y Grid Data merupakan pembuatan grid pada arah sumbu Y, dan Z Grid Data pembuatan grid pada arah vertikal (tinggi struktur) Mendefinisikan Material Profil Langkah-langkah mendefinisikan material antara lain : 1. Klik Define > Materials pada jendela program SAP2000 v.14 hingga muncul jendela seperti dibawah ini Material beton Material baja Gambar 4.4 Jendela define materials IV - 6

7 2. Pilih jenis material kemudian klik command button Modify / Show Materials Nama material Tipe material Satuan yang aktif Kuat tarik baja (mutu baja BJ 37) Kuat leleh baja Gambar 4.5 Jendela property materials Membuat Penampang Profil Membuat penampang profil sesuai dengan penampang rencana awal (Preliminary Design). Langkah-langkah membuat penampang profil antara lain sebagai berikut : 1. Klik Define > Sections properties > Frame Sections sehingga muncul jendela seperti dibawah ini. Gambar 4.6 Jendela frame properties IV - 7

8 2. Klik command button add new property 3. Pilih material steel sebagai material yang akan digunakan, kemudian klik icon WF (Wide Flange) Jenis material Gambar 4.7 Jendela frame section property 4. Mengisi dimensi penampang profil yang akan digunakan. Mengisi text box pada frame dimensions sesuai penampang yang akan dibuat. Dimulai dengan membuat penampang profil K1 sampai semua profil didimensikan. Gambar 4.8 mengisi property penampang WF IV - 8

9 Mendefinisikan Jenis Beban Dalam mendefinisikan jenis beban, dalam struktur ada beberapa jenis beban antara lain beban mati, beban hidup, beban gempa, angin, dsb. Adapun langkah-langkah mendefinisikan beban antara lain : 1. Klik Define > Load Patterns 2. Membuat jenis beban rencana antara lain beban mati (Dead), beban Hidup (Live). Dimana self weight multiplier untuk beban mati (Dead)=1. Gambar 4.9 mendefinisikan jenis beban 3. Membuat jenis pembebanan gempa dengan klik Define > function > Respon Spectrum > user > Add new function 4. Mengisi fucntion name : Quake, kemudian mendefinisikan grafik respon spektrum sesuai SNI dengan jenis tanah lunak pada wilayah gempa 3. IV - 9

10 Gambar 4.10 mendefinisikan grafik respon spektrum 5. Mendefinisikan beban gempa dengan klik Define > Load Case >Add New Load Case 6. Mendefinsikan beban gempa arah x (RS-X) dan beban gempa arah y (RS-Y). Isi dengan RS-X atau RS-Y Pilih Respone Spectrum pada combo box load case type Pilih Quake pada combo box function, dan U 1 untuk gempa arah X (RS-X) dan U 2 untuk gempa arah Y (RS-Y) pada Load Name Gambar 4.11 membuat tipe beban gempa respon spectrum IV - 10

11 Mengisi scale factor dengan =.. dimana : C : percepatan gravitasi 9,81 m/s 2 I : faktor keutamaan gedung = 1 R : faktor reduksi gempa untuk bangunan sistem rangka pemikul momen biasa (SPRMB) untuk struktur baja = 4,5 Wt : berat sendiri struktur (diperhitungkan otomatis oleh SAP2000) = = 9,81 1 4,5 = 2,18 7. Klik Modal > Modify/Show Load Case. Pilih Ritz Vectors pada frame type modes. Mendefinisikan jumlah mode = 6 dan menentukan target dinamic participation ratio sebesar 99 % untuk setiap load name UX dan UY. Gambar 4.12 Menentukan jumlah mode IV - 11

12 Membuat Kombinasi Pembebanan Kombinasi pembebanan yang dimaksudkan SAP2000 v.14 adalah kombinasi pembebanan sesuai peraturan SNI. Langkah-langkah menentukan kombinasi pembebanan antara lain : 1. Klik Define > Load combinations 2. Untuk awal mendefinisikan kombinasi pembebanan, kita klik Add New Comb, sebagai contoh kita akan membuat COMB1 sesuai SNI diantaranya 1,4 D Nama kombinasi pembebanan Kolom jenis beban Faktor pengali beban Gambar 4.13 Membuat kombinasi pembebanan Membuat Pemodelan Struktur Pemodelan struktur warehouse terdiri dari elemen struktur kolom, balok, dan rafter. Langkah-langkah memodelkan struktur antara lain : IV - 12

13 1. Pilih tampilah XY, XZ, YZ (untuk memodelkan balok pilih XY, sedangkan tampilan XZ, YZ untuk memodelkan kolom) 2. Aktifkan toolbar 3. Aktifkan frame (elemen struktur) yang akan dimodelkan 4. Klik kiri pada mouse di bagian ujung grid dan kemudian tarik ke ujung grid yang lain. Dalam membuat frame diusahakan arahnya selalu sama. Gambar 4.14 Frame properties 5. Membuat jenis tumpuan dengan memblok seluruh area dasar, kemudian klik Assign > Joint > Restraint, pilih tumpuan jepit. Gambar 4.15 Menentukan tipe tumpuan struktur IV - 13

14 Setelah pemodelan struktur selesai, akan didapatkan model struktur 3D sesuai gambar dibawah ini. Gambar 4.16 Pemodelan 3D struktur Pembebanan Model Struktur mesin pada SAP2000 v.14 Pemodelan pembenanan akibat beban mesin diasumsikan sebagai beban merata per meter persegi untuk elevasi 5m dan beban titik yang bekerja pada setiap tumpuannya untuk elevasi 9m. Perhitungan beban titik tersebut didapat dari resultan beban mesin ketika beroprasi dibagi dengan jumlah tumpuannya Analisis Model Struktur Warehouse pada SAP2000 v.14 Analisis element struktur menggunakan program bantu SAP2000 v.14 didapat gaya-gaya dalam yang ditampilkan pada gambar dibawah ini. IV - 14

15 Gambar 4.17 Gaya dalam Momen 3-3 pada potongan grid 8 / Gambar 4.18 Gaya dalam Shear 2-2 pada potongan grid 8 IV - 15

16 Gambar 4.19 Gaya aksial pada potongan grid 2 Dalam analisis struktur tersebut, struktur mesin yang direncanakan menahan beban mesin yang selalu bergerak dimana kemungkinan gagal fatik pada baja dikarenakan gaya bolak-balik yang seharusnya tetap menjadi pertimbangan. setiap element struktur di analisis sampai mempunyai kekuatan dan kemampuan layan optimum dengan mempertimbangkan stress ratio dan lendutan yang diijinkan, sehingga didapat penampang profil optimum antara lain : 1. Balok B1 B1A B2 B3 B4 B5 B6 B7 : WF 500x200x10x16 : WF 600x200x11x17 : WF 400x200x8x13 : WF 400x200x8x13 : WF 350x175x7x11 : WF 300x150x6,5x9 : WF 250x125x6x9 : WF 200x100x5,5x8 IV - 16

17 B9 : WF 700x300x13x24 2. Kolom K3 K4 K5 : WF 300x300x10x15 : WF 250x250x9x14 : WF 800x300x14x Perencanaan Elemen Struktur Balok 1. Perencanaan Balok B1 Profil : WF h t = 500 mm b f = 200 mm t w = 10 mm t f = 16 mm r = 20 mm A = mm 2 I x = mm 4 I y = mm 4 r x = 205 mm r y = 43,3 mm S x = mm 3 S y = mm 3 Berat : w = 897 N/m IV - 17

18 A. DATA BALOK Panjang elemen thd.sb. x, L x = 7500 mm Panjang elemen thd.sb. y ( jarak dukungan lateral ), L y = 3500 mm Momen maksimum akibat beban terfaktor, M u = Nmm Momen pada 1/4 bentang, M A = Nmm Momen di tengah bentang, M B = Nmm Momen pada 3/4 bentang, M C = Nmm Gaya geser akibat beban terfaktor, V u = N B. Section Property G = E 2(1 + ) = (1 + 0,3) =76923,0769 Mpa h = + = = 36 h = h 2h = = 428 h = h = = 484 J = 2b. t 3 + h 2t t = 3 ( ) =702133,3 mm I = I. h 4 = = 1, mm = 2 IV - 18

19 = , , = 12917,8 Mpa X = 4 S GJ I I = , ,3 1, = 0, mm N Z = 1 4 h + b t h = (200 10)(500 16)16 = C. Tahanan momen lentur 1. Cek kapasitas momen dalam keadaan local buckling pada sayap l = = = 12,5 l = 170 = = 10,973 l = 370 = = 28,378 kondisi l < l < l, termasuk penampang, sehingga : = l l l l Momen penampang terhadap sumbu x : =. = = IV - 19

20 = ( ). = (240 70) = = l l l l = ( ) (,, ) (,, ) = Cek kapasitas momen dalam keadaan local buckling dan lateral buckling pada plat badan l = h = = 48,4 l > l, h h h Perbandingan luas plat badan terhadap luas plat sayap : = h = = 1,513 = h 1 12 = = = 2 h 3 = = 4283 = = = 50 Momen nominal berdasar tekuk torsi lateral : l = = = 70 IV - 20

21 l = 1,76 = 1, = 50,807 l = 4,40 = 4, = 127,017 l l, maka = l l = = 12,5 2, , , = 2,13 < 2,30, 2,13 = 2 = 2, = 255,86 >, = = l l = , = 447,06 = 1 1, h 2,550 = 1 1,513 1, , , ,06 = 1,106 =.. = 1, ,06 = Momen nominal berdasar local buckling pada sayap : l = 2 = = 6,25 l = 0,38 = 0, = 10,97 l l, maka = = 1 1, h 2,550 IV - 21

22 = 1 1,513 1, , , ,06 = 1,106 =.. = 1, = Cek local bucling Cek kapasitas momen dalam keadaan lateral buckling L = 3500 mm (jarak dukungan lateral) = 1,76 = 1,76.43, = 2200 = = = 170 = = 12917,8 170 kondisi L< , = 6643 < L, termasuk bentang menengah, sehingga: = ( ) = ( ) = ( ) ( ) ( ) = > = = Kapasitas momen Momen nominal (diambil yang terkecil) : = = 0, = >,! IV - 22

23 D. Tahanan gaya geser h = = 42,8 = h = = 5,027 1,10 = 1,10 5, = 71, h 1,10, h = 0,6 Tahanan geser : =. h = = 4840 = 0,6 = 0, = E. Kontrol interaksi geser dan lentur + 0,625 1, , , , ,375 0, ,625.0,4335 = 1, ,375!! F. Kontrol lendutan Batas lendutan maksimum = 240 = = 27,083 Lendutan aktual maksimum yang diperoleh dari SAP2000 v.14, = 8,529 <,! IV - 23

24 Kolom 1. Perencanaan Kolom K3 Profil : WF h t = 300 mm b f = 300 mm t w = 10 mm t f = 15 mm r = 18 mm A = mm 2 I x = mm 4 I y = mm 4 r x = 131 mm r y = 755,1 mm S x = mm 3 A. Data kolom S y = mm 3 Panjang elemen thd.sb. x, L x = 5000 mm Panjang elemen thd.sb. y, L y = 5000 mm Gaya aksial akibat beban terfaktor, N u = N Momen akibat beban terfaktor thd.sb. x, M ux = Nmm Momen akibat beban terfaktor thd.sb. y, M uy = Nmm Gaya geser akibat beban terfaktor, V u = N IV - 24

25 B. Faktor panjang tekuk efektif kolom Faktor panjang tekuk kolom terhadap sumbu X : Tumpuan bawah jepit, G B =1 Tumpuan atas, = = = = 1,3 Dari hasil plot terhadap monogram struktur portal bergoyang didapat k cx = 1,32 = ,32 = 50,38 < 200,! 131 Faktor panjang tekuk kolom terhadap sumbu Y : Tumpuan bawah jepit, G B =1 Tumpuan atas, = = = = 0,3 Dari hasil plot terhadap monogram struktur portal bergoyang didapat k cy = 1,1 IV - 25

26 = ,1 75,1 C. Tahanan momen lentur = 73,236 < 200,! 1. Cek kapasitas momen dalam keadaan local buckling pada sayap l = = = 20 l = 170 = = 10,973 l = 370 = = 28,378 kondisi l < l < l, termasuk penampang, sehingga : = l l l l Momen penampang terhadap sumbu x : Z = 1 4 h + b t h = (300 10)(300 15)15 = =. = = = ( ). = (240 70) = = l l l l = ( ) (, ) (, ) = IV - 26

27 Momen penampang terhadap sumbu y: Z = h 2t 4 = ( )10 4 = =. = = = ( ). = (240 70) = = l l l l = ( ) (, ) (, ) = Cek kapasitas momen dalam keadaan local buckling dan lateral buckling pada plat badan l = h = = 28,5 =. = = = , = 0,211 > 0,125, l = 500 2,33 l = 500 2,33 = , , = 68,391 IV - 27

28 l < l, Momen penampang terhadap sumbu x : = =. = = Momen penampang terhadap sumbu y : = =. = = Kapasitas momen Momen nominal (diambil yang terkecil) : = = D. Tahanan gaya aksial Parameter kelangsingan terhadap sumbu x : =. = ,32 = 6600 l = 1 = = 0,555 Untuk 0,25 < l < 1,2 =, = 1,43 1,6 0,67.0,555 = 1,1647 = = 240 1,1647 = 206,063,, l Parameter kelangsingan terhadap sumbu y : =. = ,1 = 5500 l = 1 = , = 0,8075 Untuk 0,25 < l < 1,2 =,,, l IV - 28

29 = 1,43 1,6 0,67.0,8075 = 1,3504 = = 240 1,3504 = 177,726 Tahanan aksial : Terhadap sumbu x : =. = ,063 = Terhadap sumbu y : =. = ,726 = Sehingga tahanan aksial sebesar (diambil yang terkecil) : = E. Tahanan gaya geser h = h 2( + ) = ( ) 10 = 23,4 = h = = 5,0109 1,10 = 1,10 5, = 71, h 1,10, h = 0,6 Tahanan geser : =. h = = 2340 = 0,6 = 0, = IV - 29

30 F. Kontrol interaksi geser dan lentur + + 0,625 1, , , , , , , ,625.0,0827 = 0,7475 1,375!! G. Kontrol interaksi aksial tekan dan momen lentur = = 0,3017 < 0,2 0, Apabila < 0,2 maka + + 1, = , , , = 0,9202 1,00!! Perencanaan Sambungan Sambungan Balok B1 IV - 30

31 Gaya geser akibat beban terfaktor, V u = N Momen akibat beban terfaktor, M u = Nmm Jenis baut yang digunakan, Tipe baut : A-325 Tegangan tarik putus baut, f b u = 825 MPa Diameter baut d = 22 mm Jarak antara baut, a = 95 mm Jarak baut ke tepi plat a = 60 mm Jumlah baut dalam satu baris, n x = 2 bh Jumlah baris baut, n y = 7 baris Dicoba menggunakan plat penyambung Tegangan leleh plat, f y = 240 MPa Tegangan tarik putus plat, f p u = 370 MPa Lebar plat sambung, b = 200 mm Tebal plat sambung, t = 16 mm A. Mencari letak garis netral Lebar plat penyambung ekivalen sebagai pengganti baut tarik = 0,25. = 20, = 8,0028 Lebar efektif plat penyambung = 0,75 = 0, = 150 Tinggi plat penyambung IV - 31

32 h = = (2 1 ) = a / 2 a T u 2 a a a a h x a a / 2 h - x b b ' 3 Momen statis luasan terhadap garis netral : 1 2 (h ) = (h 2h + ) = h h = h h = 0 = 2 = 150 8, = 71,00 = h = = = 1 2 h = = = ± 4 2 = 150 ± B. Tegangan pada baut = (h ) = 560, (h ) 2 3 (h ) = IV - 32

33 1 2 (h ) (h ) 2 3 (h ) = = 3 (h ) + = ( ,53) , ,53. 8,0028 = 350,70 Tegangan tekan pada sisi bawah plat penyambung : = (h ) = ( ,53) 350,70 = 81,00 560,53 Tegangan tarik pada baut teratas : = ( ) = (560,53 65) 350,70 = 313,16 560,53 C. Perhitungan kuat tarik nominal baut Gaya tarik yang ditahan 1 baut teratas : =.. = 313, ,0028 = ,45 2 Tahanan tarik nominal 1 baut : = 0,75 = 0, , = ,11 = = 0, ,11 = ,34 >,! D. Perhitungan kuat geser nominal baut Gaya geser yang ditahan 1 baut : = = = 18505,86 IV - 33

34 = = 1.0, , = ,79 = = 0, ,79 = 94082,85 >,! E. Perhitungan kuat tumpu nominal baut = = = 2,4 = 2, = = = 0, = >,! F. Cek terhadap kombinasi geser dan tarik Syarat yang harus dipenuhi : = = , = 48,68 = 0,4.0, = 247,5 = 48,68 247,5,! = = 0, , = ,32 = , ,! = 807 1,9.48,68 = 714,50 = 0,75. = 0, = 618,75 618,75 714,50,! 618,75 621,! IV - 34

35 4.3 Volume Material Tabel 4.1 Perhitungan berat material penampang existing Tipe Dimensi Panjang total Berat/m Berat Subtotal m Kg Kg K3 WF ,00 172, ,00 K4 WF ,00 94, ,00 K5 KC ,00 344, ,00 B1 WF ,95 106, ,70 B1A WF ,00 185, ,00 B2/B3 WF ,50 76, ,00 B4 WF ,00 66, ,00 B5 WF ,99 49, ,10 B6 WF , ,44 36, ,55 Berat Total (Kg) ,35 Tabel 4.2 Perhitungan berat material penampang optimasi desain Panjang total Berat/m Berat Subtotal Tipe Dimensi m Kg Kg K3 WF ,00 94, ,00 K4 WF ,00 72, ,20 K5 WF ,00 210, ,00 B1 WF ,95 89, ,12 B1A WF ,00 106, ,00 B2/B3 WF ,50 66, ,00 B4 WF ,00 49, ,00 B5 WF , ,99 36, ,33 B6 WF ,44 29, ,22 B9 WF ,00 185,0 1110,00 Berat Total (Kg) ,87 IV - 35

36 Selisih persentase berat total penampang antara desain awal dengan desain optimasi sebesar: = , , ,35 100% = 28,41% 4.4 Pembahasan Hasil analisis beban gempa respone spectrum sesuai SNI pasal 5.6, nilai waktu getar alami struktur dibatasi sebesar : = V = 0, = 0,618 Waktu getar alami hasil analisis SAP2000 sebesar 0,467, sehingga batasan waktu getar alami fundamental masih terpenuhi. Hasil analisa simpangan (drift) struktur dibatasi sebesar : Simpangan ( ) = h Tabel 4.3 Simpangan (drif) pada masing-masing lantai Lantai Drift x (m) Drift y (m) < < < < Tabel 4.4 kesimpulan hasil analisa elemen struktur sesuai SNI Frame Shear & Moment Ratio Axial & Moment Ratio Lendutan Faktor k.l/r K < < < 200 K < < < 200 K < < < 200 B < < B1A < < B < < 25 B < < B < < B < < B < < B < < IV - 36

37 Pada tabel diatas, kombinasi pembebanan yang memiliki gaya-gaya dalam maksimum pada elemen struktur kolom dan balok ada pada kombinasi pembebanan 2 (1,2D + 1,6L) dan kombinasi pembebanan 3 (1,2D + 1,0L + 1,0E+ 1,0 M). Nilai ratio kombinasi gaya aksial dan momen pada elemen B2,B3, B4, dan B5 terlalu kecil, akan tetapi dimensi frame sudah optimum dikhawatirkan adanya kegagalan fatik akibat gaya bolak-balik. Apabila frame tersebut diperkecil, sehingga mengakibatkan struktur lebih langsing maka akan menghasilkan periode alami yang lebih besar dari pada periode alami struktur yang dipersyaratkan oleh SNI Dari hasil perhitungan berat elemen struktur utama pada desain awal dibandingkan dengan desain optimalisasi memiliki selisih (optimalisasi) sebesar 28,41%. IV - 37