STUDI PERBANDINGAN ANTARA GABLE FRAME METODE BAJA TAPER DENGAN METODE BAJA KONVENSIONAL DITINJAU DARI SEGI KEKUATAN DAN BIAYA TUGAS AKHIR

Transkripsi

1 STUDI PERBANDINGAN ANTARA GABLE FRAME METODE BAJA TAPER DENGAN METODE BAJA KONVENSIONAL DITINJAU DARI SEGI KEKUATAN DAN BIAYA TUGAS AKHIR Disusun oleh : AKBAR SOESILO Dosen Pembimbing Ir. Daniel Rumbi Teruna, M.T. NIP SUB JURUSAN STRUKTUR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016

2 ABSTRAK Perkembangan konstruksi di dunia sekarang ini sudah sangat pesat. Para kontraktor berlomba-lomba membangun bangunan baik bangunan rumah tinggal, bangunan tinggi, bangunan bentang lebar, dan sebagainya, dikarenakan populasi dan kegiatan perindustrian semakin meningkat pesat. Umumnya konstruksi akan menggunakan beton atau/dan baja sebagai konstruksi utamanya. Baja memiliki banyak keunggulan dibanding beton, karena sifatnya yang stabil, ringan, dan kuat. Hal ini menyebabkan permintaan baja dari tahun ke tahun sebagai material konstruksi semakin banyak. Dan model profil baja yang dipabrikasi umumnya berupa profil I, H, siku, C, hollow, dan pelat, yang merupakan profil-profil yang populer digunakan. Pada konstruksi bangunan bentang lebar yaitu portal baja, umumnya konstruksinya menggunakan profil baja IWF, sebab lebih stabil dan badannya terletak di sumbu simetri. Namun, seiring bertambahnya kemajuan teknologi sekarang ini, munculah rekayasa-rekayasa terhadap profil konvensional yang bertujuan untuk memperkuat profil tersebut. Salah satunya adalah rekayasa baja taper pada profil baja IWF. Dasar pemikiran dari rekayasa taper sebenarnya mengacu kepada model diagram momen pada portal baja, yang umumnya momen terbesarnya terjadi pada joint kolom-rafter dan joint rafter kiri dengan rafter kanan. Serta momennya akan mengecil pada pondasi sendinya. Demikian profil baja taper membesar di ujung satunya, dan mengecil di ujung satunya lagi. Rekayasa baja taper selain dapat diperlakukan sebagai konstruksi kolom, juga dapat diperlakukan sebagai konstruksi balok. Hasil analisis menunjukkan bahwa penggunaan baja taper akan menghemat cost konstruksi sebesar 15% sampai 25% pada portal baja bentang rata-rata 25 meter dibandingkan dengan konstruksi yang menggunakan baja konvensional IWF. Kata Kunci : gable frame, Rekayasa Taper, Metode LRFD, SNI baja , SNI pembebanan , AISC 2010 i

3 KATA PENGANTAR Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan berkat-nya hingga selesainya tugas akhir ini dengan judul Studi Perbandingan Antara Gable Frame Metode Baja Taper dengan Metode Baja Konvensional Ditinjau dari Segi Kekuatan dan Biaya. Tugas akhir ini disusun untuk diajukan sebagai salah satu syarat yang harus dipenuhi dalam ujian sarjana Teknik Sipil bidang Studi Struktur pada Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik (USU). Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih memiliki jauh dari kata sempurna. Hal ini dikarenakan keterbatasan pengetahuan dan pemahaman penulis. Dengan tangan terbuka dan hati yang tulus, penulis bersedia sekali menerima saran kritik Bapak dan Ibu dosen serta rekan mahasiswa demi penyempurnaan tugas akhir ini. Penulis juga menyadari bahwa selesainya tugas akhir ini tidak lepas dari bimbingan, dukungan dan bantuan semua pihak. Untuk itu, pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan ucapan terima kasih kepada : 1. Bapak Ir. Daniel Rumbi Teruna, M.T. selaku pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu, tenaga, dan pikiran dalam memberikan bimbingan dan arahan yang tiada hentinya kepada penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 2. Bapak Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan, selaku ketua departemen Teknik Sipil. 3. Bapak Ir. Syahrizal, M.T., selaku sekretaris departemen Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara. 4. Ibu Rahmi Karolina, S.T. M.T., selaku dosen yang telah meluangkan waktu, tenaga, dan pikirannya dalam memberikan bimbingan dan arahan kepada penulis pada pengajuan Proposal Tugas Akhir. ii

4 5. Orang Tua dan saudari penulis, yang telah mendukung, menyemangati serta mendoakan penulis di setiap kegiatan akademis penulis. 6. Hendrik Wijaya, selaku teman berkonsultasi, yang telah memberikan banyak waktunya dan arahan, hingga selesainya Tugas Akhir ini. 7. Jason Pratama Salim, selaku teman seperjuangan penulis, Sarfin Halim, Rudi Kirana, Deni Hermawan, Johan Liman, Felix Sutanto, yang selalu mengingatkan penulis dengan berbagai cara hingga selesainya Tugas Akhir ini. 8. Teman-teman jurusan Teknik Sipil, terutama teman-teman seangkatan 2010, abang/ kakak stambuk 2007, 2008 dan 2009 serta adik-adik 2011, 2012, 2013, 2014 terima kasih atas dukungan dan informasi mengenai kegiatan sipil selama ini. 9. Para pegawai Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik USU atas kesediaannya untuk mengurus administrasi Tugas akhir ini. 10. Berbagai pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu. Terima kasih untuk semuanya. Medan, 11 Juni 2016 Penulis AKBAR SOESILO iii

5 DAFTAR ISI ABSTRAK... KATA PENGANTAR... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR TABEL... DAFTAR NOTASI... i ii iv viii xii xiv BAB I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Permasalahan Perumusan Masalah Maksud dan Tujuan Pembatasan Masalah Metodologi Penelitian Sistematika Penulisan... 5 BAB II. TEORI DASAR 2.1 Pengenalan Struktur Baja Struktur baja Kelebihan & Kelemahaan Baja Kategori Baja Struktural Jenis-jenis baja structural Hubungan Tegangan & Regangan Baja Pengaruh suhu terhadap material baja Kelelahan baja akibat beban siklik Metode Perencanaan Konstruksi Baja Metode ASD (Allowable Stress Design) Metode LRFD (Load Resistance Factor Design) Pembebanan Beban Mati iv

6 2.3.2 Beban Hidup Beban Angin Kombinasi Beban Kondisi batas baja Batang Tekan Teori Tekuk (buckling) Panjang Efektif Pengaruh bentuk penampang terhadap tekuk Kuat Tekan Nominal Tekuk Lentur Tekuk Torsi & Tekuk Lentur-Torsi Balok Lentur Pengaruh kelangsingan Elemen Tekuk Lokal Tekuk Torsi Lateral Bentuk momen dan factor C b Rasio lebar-tebal dan klasifikasi Pertambatan Lateral Kuat lentur (momen) nominal Profil I kompak Lendutan batang Kuat geser nominal Kuat geser-normal Kuat geser-badan langsing Batang balok kolom (portal) Batang portal terhadap kombinasi gaya momen Penampang simetri terhadap lentur & gaya aksial Taper Frame BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Pendahuluan Metode penelitian Analisa Struktur v

7 Analisa linear vs analisa non-linear Cara klasikal vs Metode Matrix Metode matrix vs metode elemen hingga Metode Matrix Metode Kekakuan Matriks Kekakuan Struktur Lokal Matriks Kekakuan Struktur Global Matriks Kekakuan Sttruktur Derajat ketidak-tentuan kinematis (DoF) Prosedur Analisa Struktur Matriks Kekakuan elemen-elemen Matriks Kekakuan elemen balok Matriks Kekakuan elemen balok beban terbagi rata Matriks Kekakuan Elemen Truss/rangka Matriks Kekakuan Elemen Frame Matriks Kekakuan Elemen balok kolom Matriks Kekakuan Taper balok-kolom Contoh perhitungan manual balok tapered Data workshop Data workshop A Data workshop B BAB IV ANALISA HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Pembebanan Material Geometri Struktur Hasil Analisa Workshop A Profil Konvension Profil Tapered Hasil Analisa Workshop B Profil Konventional Profil Tapered Hasil dan Pembahasan vi

8 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA vii

9 DAFTAR GAMBAR Gambar Ilustrasi Baja Konvensional IWF... 2 Gambar Aplikasi Baja Konvensional... 2 Gambar Ilustrasi Baja Taper... 3 Gambar Aplikasi Baja Taper... 3 Gambar Cara Membuat Baja Taper dari Baja IWF... 4 Gambar Grafik hubungan tegangan regangan Gambar Pengaruh suhu pada baja Gambar Hubungan load-displacement akibat beban monotonic Gambar Pengaruh gaya angin pada portal Gambar Penentuan nilai α dan z g berdasarkan kategori eksposur Gambar 2.5 Fenomena tekuk Gambar Perilaku tekuk elemen langsing Gambar Percobaan daya dukung kolom model Gambar Model kolom ideal dari Euler Gambar Konsep panjang efektif & daya dukung kolom Gambar Bentuk penampang dan perilaku tekuk kolom Gambar Perbandingan kurva F cr mutu baja ASTM terhadap KL/r Gambar Dimensi balok dan perilakunya Gambar Permasalahan balok tinggi pada struktur baja Gambar Local buckling pada balok Gambar Tekuk local pada belat badan dan sayap Gambar Tekuk local pada penampang langsing Gambar Balok yang mengalami lentur dan tekuk lateral viii

10 Gambar Perilaku struktur kantilever profil UNP Gambar Fenomena tekuk lateral pada kantilever Gambar Pertambatan lateral pada jembatan Gambar Stabilitas balok lentur Gambar Konstanta torsi (J) penampang tertutup dan pipa terbelah Gambar Momen gradient dalam penentuan C b Gambar Perilaku penampang berdasarkan klasifikasi Gambar Balok dengan pertambatan lateral Gambar Kondisi pertambatan lateral pada balok Gambar Sistem bracing pada jembatan baja melengkung Gambar Kategori penampang yang dianggap tanpa lateral bracing Gambar Prinsip dasar pemasangann lateral bracing Gambar Macam-macam pertambatan lateral balok Gambar Pertambatan lateral pada konstruksi jembatan Gambar Prosedur perencanaan balok lentur dengan profil IWF Gambar Profil I kompak Gambar Mekanisme struktur baja lelah Gambar Hubungan M n L b balok penampang kompak Gambar Kondisi geser pelat pasca tekuk Gambar Mekanisme pengalihan gaya geser pelat pasca tekuk Gambar Pengaruh kelangsingan terhadap nilai C v Gambar Alternatif detail pelat pengaku tegak Gambar Balok dengan pelat pengaku tegak Gambar Mekanisme kerja tension field action Gambar 2.7 Struktur portal statis tak tentu ix

11 Gambar Kurva kapasitas batang gemuk pada kombinasi gaya momen 83 Gambar Kurva interaksi kombinasi gaya momen sederhana Gambar 2.8 Proses pembentukan baja taper Gambar Model matrix segi empat Gambar Titik simpul dan elemen Gambar Aturan tangan kanan pada system koordinat lokal Gambar Aturan tangan kanan pada system koordinat lokal Gambar Matriks kekakuan pada sumbu global Gambar Aturan tangan kanan pada system koordinat global Gambar Penomoran untuk noda dan batang Gambar Derajat ketidaktentuan kinematis struktur Gambar Beam dengan penampang uniform Gambar Balok dengan beban terbagi rata Gambar Pemberian nomor simpul Gambar Momen primer Gambar Gaya dalam yang terjadi Gambar Elemen batang yang dipengaruhi gaya luar Gambar Data workshop A Gambar Data workhop B Gambar Geometri workshop A Gambar Geometri workshop B Gambar Model struktur workshop A konvensional SAP Gambar Penomoran batang workshop A konvensional SAP Gambar Bidang normal WSA konvensioanal SAP Gambar Bidang geser WSA konvensional SAP x

12 Gambar Bidang momen WSA konvensional SAP Gambar D/C ratio WSA konvensional SAP Gambar Model Struktur WSA taper SAP Gambar Penomoran batang WSA taper SAP Gambar Bidang normal WSA taper SAP Gambar Bidang geser WSA taper SAP Gambar Bidang momen WSA taper SAP Gambar D/C ratio taper SAP Gambar Model struktur WSB konvensional SAP Gambar Penomoran struktur WSB konvenional SAP Gambar Bidang normal WSB konvensional SAP Gambar Bidang geser WSB konvensional SAP Gambar Bidang momen WSB konvensional SAP Gambar D/C ratio WSB konvensional SAP Gambar Model struktur WSB taper SAP Gambar Penomoran WSB taper SAP Gambar Bidang normal WSB taper SAP Gambar Bidang geser WSB taper SAP Gambar Bidang momen WSB taper SAP Gambar D/C ratio WSB taper SAP xi

13 DAFTAR TABEL Tabel Mutu baja berdasarkan SNI Tabel Mutu baja berdasarkan ASTM (2004)... 8 Tabel Spesifikasi baja bangunan menurut ASTM... 9 Tabel Mutu baja profil canal panas menurut JIS G Tabel Material baja standari JIS Tabel Faktor tahanan Ø (AISC 2010) Tabel Berat bangunan berdasarkan SNI F Tabel Beban hidup menurut kegunaan SNI 1727 ; Tabel Faktor arah angin, K d Tabel Faktor topografi Tabel Nilai koefisien tekanan internal (GC pi ) Tabel 2.5 Klasifikasi elemen pada batang tekan aksial Tabel Klasifikasi elemen tekan batang memikul lentur Tabel Batas kelangsingan elemen sayap penampang SNI Tabel Batas kelangsingan elemen badan penampang SNI Tabel Batas lendutan maksimum Tabel Definisi simpul 1 dan 2 pada setiap elemen Tabel Gaya-gaya reduksi Tabel 4.1 Berat atap Tabel Hasil output D/C ratio WSA konvensional SAP Tabel Hasil output D/C ratio WSA taper SAP Tabel 4.5 Hasil output D/C ratio WSB konvensional SAP Tabel Hasil output D/C ratio WSB taper SAP xii

14 Tabel Perbedaan volume dan harga WSA Tabel Perbedaan volume dan harga WSB xiii

15 DAFTAR NOTASI = Tegangan Terjadi (MPa) = Tegangan Izin (MPa) F y R u = Tegangan leleh baja (MPa) = Kuat perlu = Faktor tahanan = Kuat rencana V K d K zt = Kecepatan angin dasar = Faktor arah angin = Faktor topografi GC pi = Koefisien tekanan internal KL r min I min P cr r t I ps P u P n F cr F e E G = Panjang efektif = radius girasi = Inersia = Gaya aksial sesaat sebelum tekuk = radius girasi ekivalen terhadap tekuk torsi = momen inersia polar terhadap pusat geser = Gaya tekan terfaktor = kuat tekan nominal komponen struktur = Tegangan kritis = Tegangan tekuk Euler (elastis) = Modulus elastisitas baja (MPa) = Modulus elastisitas geser baja (MPa) J = Konstanta torsi (mm 4 ) xiv

16 C w = Konstanta pilin/warping (mm 6 + M cr = Momen kritis yang menimbulkan tekuk torsi lateral S x = Modulus elastis penampang terhadap sumbu kuat (mm 3 + Z x = Modulus plastis penampang terhadap sumbu kuat (mm 3 ) L p L b L r = Jarak pertambatan maksimum untuk menghindari tekuk torsi lateral = Jarak pertambatan lateral = jarak pertambatan lateral maksimum sehingga serat terluar penampang bisa mencapai leleh C b δ V u V n A w C v K v I st = factor pengaruh momen gradient = Lendutan = gaya geser batas = kuat geser nominal balok = luas total pelat badan = koefisien geser pelat = koefisien tekuk pelat = Momen inersia pelat pengaku xv