BAB IV PERMODELAN DAN ANALISIS STRUKTUR

Transkripsi

1 BAB IV PERMODELAN DAN ANALISIS STRUKTUR 4.1 Permodelan Elemen Struktur Di dalam tugas akhir ini permodelan struktur dilakukan dalam 2 model yaitu model untuk pengecekan kondisi eksisting di lapangan dan model yang telah ditambahkan beban gempa. Selain itu dimodelkan juga model struktur pada saat masa konstruksi, yaitu tepatnya pada saat baru berdiri satu lengkungan struktur. Kondisi tersebut dinilai rawan terhadap beban luar, sehingga harus dicek mengenai kekuatannya. Berikut ini adalah gambar permodelan struktur utama : Gambar 4. 1 Model Lengkap -1-

2 Gambar 4. 2 Detail untuk 1 Trafe (lengkungan atap) Secara umum, struktur dimodelkan sebagai moment frame dan plane truss. Hampir secara keseluruhan, struktur dimodelkan sebagai moment frame, seperti di TR1, TR2, TR3, dan TR4. Pada moment frame, penampang mengalami gaya-gaya dalam yang meliputi aksial, geser, dan lentur. Elemen struktur yang dimodelkan sebagai plane truss adalah bracing dari TR5 dan TR6, serta joint/hubungan antara TR5 dan TR6 ke TR1, TR2, dan TR3. Selain itu hubungan antara TR1, TR2, dan TR3 ke TR4 pun dimodelkan sebagai plane truss. Pada plane truss, gaya-gaya dalam yang bekerja diasumsikan hanya gaya aksial saja. Di dalam SAP, plane truss dimodelkan dengan cara release momen pada batang-batang yang berfungsi sebagai plane truss. Berikut adalah gambar permodelan tersebut : ARIEF BUDIMAN IV-2

3 Gambar 4. 3 Permodelan Space Truss Seperti sudah disebutkan sebelumnya, dilakukan juga permodelan struktur pada saat masa konstruksi, yaitu pada saat baru kolom TR4 yang berdiri. Saat tersebut struktur masih dalam kondisi plane frame yang rawan terhadap beban lateral pada arah tegak lurus bidang. Beban yang direncanakan dalam permodelan ini adalah beban gravity sebesar 0,02 Dead Load (38785,64 x 0,02 = 775,7128). ARIEF BUDIMAN IV-3

4 Berikut ini adalah gambar permodelan tersebut : Gambar 4. 4 Permodelan Masa Konstruksi 4.2 Material Pipa Baja dan Baja Profil Baja yang digunakan pada semua elemen struktur adalah baja ST 37 dengan spesifikasi sebagai berikut : Tegangan Leleh ( f y ) = 240 Mpa Tegangan Ultimate ( f u ) = 370 Mpa Modulus Young = Mpa Berat = 78.5 KN/m 3 Poisson Ratio = 0.3 ARIEF BUDIMAN IV-4

5 4.3 Pembebanan Perencanaan pembebanan dimaksudkan untuk memberikan pedoman dalam menentukan beban-beban yang bekerja pada bangunan. Secara umum, beban direncanakan sesuai Pedoman Perencanaan untuk Rumah dan Gedung (SKBI ) sebagai berikut: 1. Beban Mati (Dead Load) termasuk Beban Mati Tambahan (Super Impose Dead Load) (D) 2. Beban Hidup Atap (L) 3. Beban Hujan (H) 4. Beban Angin (W) 5. Beban Gempa (E) Seluruh beban tersebut di atas diperhitungkan dengan faktor perbesaran dan kombinasi sebagai berikut: 1,4D 1,2D + 1,6 L + 0,5 (La atau H) 1,2D + 1,6 (La atau H) ) + (γ L L atau 0,8W) 1,2D + 1,3 W + γ L L + 0,5 (La atau H) 1,2D ± 1,0E + γ L L 0,9D ± (1,3W atau 1,0E) Dengan masing-masing beban gempa (E) merupakan kombinasi gaya gempa arah acuan dan 0.3 gaya gempa arah tegak lurusnya Beban Mati a. Berat Sendiri Semua elemen struktur atap untuk dalam perencanaan ini menggunakan material struktur baja.. Contoh beban mati yang dimodelkan dalam permodelan ini adalah berat sendiri TR7. Struktur ini dimodelkan secara manual, dengan pertimbangan agar mempermudah analisis struktur. b. Beban Mati Tambahan (SIDL) Yang dimaksud beban mati tambahan (SIDL) tersebut adalah berat semua material nonstruktural yang digunakan pada gedung seperti finishing lantai (setebal 50 mm) dan beban mekanikal elektrikal. Besarnya beban mati tambahan adalah sebagai berikut: ARIEF BUDIMAN IV-5

6 1. Untuk TR1, TR2, TR3,TR5,TR6, dan TR7 a. Gording : 5.11 kg/m 2 b. Atap metal zinc aluminium 0.65mm : 6.94 kg/m 2 c. Plafond/ceiling zinc aluminium 0.4mm : 4.72 kg/m 2 d. Rangka penggantung plafond+lampu : 5 kg/m 2 e. Isolasi atap rockwool 80 kg/m 2,t = 100 mm : 8 kg/m 2 TOTAL : 30 kg/m 2 2. Pada komponen TR4 Selain beban yang ditransfer oleh TR7, pada TR4 juga bekerja beban-beban berikut: a. Atap skylight kaca 10mm laminated+rangka atap skylight : 28 kg/m 2 b. Ducting ME, rangka penggantung+lampu : 75 kg/m Beban-beban tersebut ditransfer sedemikian rupa ke dalam struktur dengan menggunakan prinsip tributary area. Untuk beban yang ditransfer ke TR5 dan TR6, beban ditransfer terlebih dahulu ke TR7. Besarnya area yang berkontribusi diambil nilai maksimum yaitu sebesar 6 x 7,16 m atau sekitar 43 m 2. Selanjutnya beban tersebut ditransfer ke TR5 dan TR6 berupa beban titik yang merupakan reaksi perletakan dari TR7. Maka besarnya beban mati tambahan yang bekerja pada struktur TR5 dan TR6 adalah : F = 30 x 6 x 7,167 = 1288,08 kg. Sedangkan besarnya beban yang bekerja pada TR4 adalah setengah dari beban yang bekerja pada TR5 dan TR6. Hal ini diambil dengan asumsi area yang berkontribusi pada TR4 adalah setengah dari area yang berkontribusi pada TR5 dan TR6. Maka besarnya beban mati tambahan yang bekerja pada struktur TR4 yang berasal dari TR6 dan TR7 adalah : 1288, 08 F = = 644, 04 2 kg. Untuk beban yang ditransfer pada TR1, TR2, dan TR3, besarnya area yang berkontribusi diambil nilai maksimum yaitu sebesar 5,7 x 3,2 m atau sekitar 18,24 m 2. ARIEF BUDIMAN IV-6

7 Maka besarnya beban mati tambahan yang bekerja pada struktur TR1, TR2, dan TR3 adalah : F = 30 x 5,7 x 3,2 = 547,2 kg. Berikut ini adalah gambar permodelan pembebanan SIDL dalam struktur : Gambar 4. 5 Beban SIDL Beban Hidup Beban hidup merupakan beban yang bekerja pada bangunan selama bangunan tersebut berdiri. Pada tugas akhir ini, hanya dimodelkan struktur atapnya saja maka nilai beban hidup yang ditentukan adalah beban hidup sementara akibat berat pekerja yaitu sebesar 100 kg yang diletakkan hanya di beberapa tempat saja. Berikut ini adalah gambar permodelan pembebanan beban hidup sementara dalam struktur : ARIEF BUDIMAN IV-7

8 Gambar 4. 6 Beban Hidup Sementara Beban Hujan Pada atap bekerja beban hujan sebesar 20 kg/m 2. Seperti halnya, beban mati tambahan yang ditransfer berdasarkan besarnya tributary area, beban hujan pun demikian. Maka dengan luas area yang berkontribusi sebesar 6 x 7,16 m atau sekitar 43 m 2, besarnya beban hujan yang bekerja pada TR7 adalah : F = 30 x 6 x 7,167 = 860,04 kg. Sedangkan beban hujan yang bekerja pada komponen TR4 adalah beban hujan setinggi 20 cm yaitu 30 kg/m. Seperti halnya pada TR5 dan TR6, beban hujan yang bekerja pada TR1, TR2, dan TR3 pun dihitung berdasarkan tributary area. Besarnya area yang berkontribusi adalah sebesar 5,7 x 3,2 m atau sekitar 18,24 m 2. Maka besarnya beban hujan yang bekerja pada struktur TR1, TR2, dan TR3 adalah : F = 20 x 5,7 x 3,2 = 364,8 kg. ARIEF BUDIMAN IV-8

9 Berikut ini adalah gambar permodelan pembebanan beban hujan dalam struktur : Gambar 4. 7 Beban Hujan Beban Angin Berdasarkan PPIG 1987, beban angin didefinisikan sebagai tekanan angin yang menerpa struktur baik berupa gaya tekan ataupun gaya hisap. Umumnya beban angin baru diperhitungkan untuk struktur yang memiliki minimal 4 lantai atau memiliki tinggi bangunan minimal 16 m. Angin yang bergerak menabrak struktur dianggap bekerja sebagai tekanan positif pada sisi yang berhadapan langsung dengan arah angin dan tekanan negatif (isap) pada sisi belakangnya. Tekanan tiup angin yang bekerja pada struktur untuk daerah normal sebesar 25 kg/m 2 dan untuk daerah pantai diambil 40 kg/m 2.Namun untuk kecepatan tertentu, nilai tekanan angin dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut : 2 V P = 16 Keterangan : P adalah besarnya tekanan angin (kg/m 2 ) V adalah besarnya kecepatan angin (m/s)... (4. 1 ) ARIEF BUDIMAN IV-9

10 Data kecepatan angin di daerah rencana diasumsikan : km/jam, sehingga diambil kecepatan rata-rata sebesar 80 km/jam. Jika dalam satuan m/s diperoleh nilai sebesar 1000 V = 80x = m/s Maka besarnya tekanan angin yang bekerja pada struktur adalah : 2 22 P = kg/m 2. Dengan memperhitungkan tributary area maka beban angin berupa angin tiup dan angin hisap baik arah X ataupun arah Y dapat dihitung Seperti yang tercantum dalam tabel perhitungan 4.1 sampai 4.4 pada halaman selanjutnya ARIEF BUDIMAN IV-10

11 Tabel 4. 1 Perhitungan Angin Tiup Arah X koefisien = KOEF ATAP LENGKUNG sudut = tekanan = sin x = asumsi max cos x = asumsi max TENGAH Luas Besar Gaya Luas Besar Gaya Atas Atas Tengah Tengah Bawah Bawah TR 5 Luas = m2 Luas = m2 joint BAWAH = kg joint BAWAH = kg arah x (+) = arah x (+) = arah y (-) = arah y (-) = joint TENGAH = kg joint TENGAH = kg arah x (+) = arah x (+) = arah y (-) = arah y (-) = joint ATAS = kg joint ATAS = kg arah x (+) = arah x (+) = arah y (-) = arah y (-) = TR 1 Angin Tiup Arah X TR4 TR2 PINGGIR TR 6 TR 3 luas = luas = luas = bawah bawah bawah arah x (+) = arah x (+) = arah x (+) = arah y (-) = arah y (-) = arah y (-) = tengah tengah tengah arah x (+) = arah x (+) = arah x (+) = arah y (-) = arah y (-) = arah y (-) = atas atas atas arah x (+) = arah x (+) = arah x (+) = arah y (-) = arah y (-) = arah y (-) = ARIEF BUDIMAN IV-11

12 Tabel 4. 2 Perhitungan Angin Hisap Arah X koefisien = KOEF ATAP LENGKUNG sudut = tekanan = sin x = asumsi max cos x = asumsi max TENGAH Angin Hisap Arah X TR4 PINGGIR Luas Besar Gaya Luas Besar Gaya Atas Atas Tengah Tengah Bawah Bawah TR 5 TR 6 Luas = m2 Luas = m2 joint BAWAH = kg joint BAWAH = kg arah x (+) = arah x (+) = arah y (+) = arah y (+) = joint TENGAH = kg joint TENGAH = kg arah x (+) = arah x (+) = arah y (+) = arah y (+) = joint ATAS = kg joint ATAS = kg arah x (+) = arah x (+) = arah y (+) = arah y (+) = TR 1 TR2 TR 3 luas = luas = luas = bawah bawah bawah arah x (+) = arah x (+) = arah x (+) = arah y (+) = arah y (+) = arah y (+) = tengah tengah tengah arah x (+) = arah x (+) = arah x (+) = arah y (+) = arah y (+) = arah y (+) = atas atas atas arah x (+) = arah x (+) = arah x (+) = arah y (+) = arah y (+) = arah y (+) = ARIEF BUDIMAN IV-12

13 Tabel 4. 3 Perhitungan Angin Tiup Arah Y koefisien = 0.9 tekanan = 30 Angin Tiup Arah Y TR1 TR3 ATAS 30 ATAS 30 atas atas pojok pojok TENGAH TENGAH pojok pojok BAWAH BAWAH ARIEF BUDIMAN IV-13

14 Tabel 4. 4 Perhitungan Angin Hisap Arah Y koefisien = 0.4 tekanan = 30 Angin Hisap Arah Y TR1 TR3 ATAS 30 ATAS 30 atas atas pojok pojok TENGAH TENGAH pojok pojok BAWAH BAWAH Berikut ini adalah gambar-gambar permodelan pembebanan beban angin tiup dan hisap baik dalam arah X maupun arah tegak lurusnya Y dalam struktur : ARIEF BUDIMAN IV-14

15 Gambar 4. 8 Angin tiup X Gambar 4. 9 Angin Hisap X ARIEF BUDIMAN IV-15

16 Gambar Angin tiup Y Gambar Angin hisap Y ARIEF BUDIMAN IV-16

17 4.3.5 Beban Gempa Beban gempa terjadi akibat pergerakan tanah dasar ke arah horizontal atau vertikal secara tiba-tiba. Umumnya pergerakan arah horizontal memiliki guncangan yang lebih besar. Gerakan tanah yang diakibatkan oleh getaran gempa bumi meliputi percepatan, kecepatan, dan perpindahan. Ketiganya pada umumnya teramplifikasi sehingga menimbulkan gaya dan perpindahan yang dapat melebihi kapasitas yang dapat ditahan oleh struktur yang bersangkutan. Nilai maksimum besarnya gerakan tanah yaitu kecepatan tanah puncak, percepatan tanah puncak, dan perpindahan tanah puncak menjadi parameter-parameter utama dalam desain struktur tahan gempa. Gaya geser dasar rencana total, V, pada suatu arah ditetapkan sebagai berikut :... (4. 2 ) Gaya geser dasar rencana total, V, tidak perlu lebih besar daripada nilai berikut ini: Dimana : V = Gaya geser dasar rencana total V maks = Gaya geser dasar rencana maksimum R = Faktor modifikasi respon atau faktor reduksi beban gempa T = Waktu getar dasar struktur W t I C a dan C v = Berat total struktur = Faktor kepentingan struktur = koefisien percepatan gempa... (4. 3 ) Nilai R diambil berdasarkan tabel faktor kepentingan dari SNI. Nilai R ini menyatakan jaminan terjadinya daktilitas struktur, apabila terjadi beban gempa yang besar. Pada perencanaan tugas akhir ini, dipilih nilai R sebesar 5,5 yaitu untuk Sistem Rangka Pemikul Momen Menengah, dengan mempertimbangkan kemudahan dalam detailing struktur. Pada arah utama struktur, beban gempa dikenakan sebesar 100%. Sedangkan pada arah tegak lurusnya dikenakan gaya sebesar 30 %. ARIEF BUDIMAN IV-17

18 Di dalam mendesain beban gempa, harus mengacu pada SNI 1726 tentang rekayasa kegempaan, dimana nilai besarnya percepatan batuan dasar, nilainya harus diambil berdasarkan jenis tanah serta zonasi gempa yang telah ditetapkan. Untuk melihat seberapa besar pengaruh beban gempa pada struktur yang direncanakan. Dipilih asumsi lokasi berada pada zona gempa 4 sebagaimana yang terlihat dalam peta zonasi gempa sebagai berikut : Gambar Peta Zonasi Gempa Sedangkan nilai percepatan di batuan dasar dapat diambil berdasarkan desain spektra berkut : ARIEF BUDIMAN IV-18

19 Gambar Desain Spectra untuk berbagai wilayah gempa Dari data-data yang berasal dari SNI, asumsi yang diambil adalah jenis tanah lunak. Hal ini diambil karena, tanah ini yang akan memberikan efek maksimum beban gempa pada struktur. Setelah semua parameter diketahui, maka didefinisikan data-data tersebut di dalam program analisis struktur seperti yang ditampilkan dalam gambar berikut : ARIEF BUDIMAN IV-19

20 Gambar Function Response Spectra 4.4 Analisis Struktur Analisis struktur dilakukan untuk menentukan nilai gaya-gaya dalam serta displacement yang bekerja pada struktur. Pada tugas akhir ini, analisis struktur dilakukan secara 3 dimensi, dimana ditinjau secara keseluruhan gaya-gaya dalam yang bekerja pada seluruh sumbu bahan penampang, yang meliputi gaya aksial berupa tarik atau tekan, gaya geser, momen terhadap sumbu kuat, serta momen terhadap sumbu lemah. Sementara itu, nilai ARIEF BUDIMAN IV-20

21 displacement diambil berdasarkan besarnya perpindahan yang terjadi terhadap keadaan awal struktur. Setelah seluruh beban yang direncanakan sudah diassign pada model, maka selanjutnya dilakukan analisis struktur untuk mengetahui gaya-gaya dalam yang timbul akibat pembebanan pada setiap elemen struktur. Pada proses ini ditampilkan data hasil kalkulasi setiap elemen struktur yang menghasilkan gaya dalam serta displacement yang terbesar. Di dalam perhitungan displacement ini, faktor beban yang digunakan sebesar satu Periode Struktur Nilai periode atau waktu getar suatu struktur bangunan bergantung dari massa dan kekakuan. Semakin kaku suatu bangunan, maka semakin kecil waktu struktur untuk satu kali bergetar. Dari hasil perencanaan penampang, dapat ditentukan nilai periode struktur. Berikut ini adalah hasil analisis periode struktur : Nilai periode struktur eksisting = 1,36235 second Nilai periode struktur redesign = 1,11236 second. ARIEF BUDIMAN IV-21

22 4.4.2 Model Eksisting Gaya Dalam Tabel 4. 5 Gaya Dalam Model Eksisting NO Profil Kombinasi Nu Mux Muy VuMajor VuMinor Batang Penampang Pembebanan N N mm N mm N N 1381 KOLOM TR4 1,2D+1,6H+0,8Wy P1 D8 6 1,2D+1,6H+0,8Wy P2 D6 6 1,2D+1,6H+0,8Wy siku60x60x6 1,2D+1,6H+0,8Wy unp125x65x6x8 1,2D+1,6H+0,8Wy W1 WF 200X100X5.5X8 1,2D+1,6H+0,8Wy W2 WF 150X75X5X7 1,2D+1,6H+0,8Wy W3 H 400X400X13X21 1,2D+1,6H+0,8Wy W4 WF 300X150X6.5X9 1,2D+1,6H+0,8Wy W5 WF 250X125X6X9 1,2D+1,6H+0,8Wy Keterangan: Batang menahan aksial Tarik Batang Menahan Aksial Tekan ARIEF BUDIMAN IV-22

23 Lendutan Tabel 4. 6 Lendutan Model Eksisting BENTANG JOINT LABEL L U1 U2 U3 R1 R2 R3 mm mm mm mm Radians Radians Radians TR ,027-25,915-66,351-0, , ,00104 TR ,879-2,958-66,850-0, , ,00019 TR ,748 25,257-22,510 0, , , ,391 6, , , ,00044 TR ,357 3,715-78,263 0, , , ,882 1, , , , ,637 3, , , , ,792-3,553-56,824 0, , , ,976 0,011-24,176 0, , ,00048 TR ,507 0,191-57,196 0, , , ,903 3, , , , ,298-3,757-56,824 0, , , ,940 3,524-49,034 0, , , ,253 0,094-23,826-0, , ,00048 TR ,396 5,029-76,251 0, , , ,495 4,575-53,344 0, , , ,632 5,016-0,156 0, , ,00052 ARIEF BUDIMAN IV-23

24 4.4.3 Model Redesign Gaya Dalam Tabel 4. 7 Gaya Dalam Model Redesign NO Profil Kombinasi Nu Mux Muy VuMajor VuMinor Batang Penampang Pembebanan N N mm N mm N N 1381 KOLOM TR4 1,2D+1,6H+0,8Wy P1 D8 6 1,2D+1,6H+0,8Wx P1TR4 D8 10 1,2D+1,6H+0,8Wy P1TR4 D8 12 1,2D+1,6H+0,8Wy P2 D6 6 1,2D+1,6H+0,8Wy P ,2D+1,6H+0,8Wy P TR1 2 D8 12 1,2D+1,6H+0,8Wy siku60x60x6 1,2D+1,6H+0,5L unp125x65x6x8 0.9D 1.3Wx W1 WF200X150X8X10 1,2D+1,6H+0,8Wy W1 WF250X250X9X14 1,2D+1,6H+0,8Wy W2 WF 150X75X5X7 1,2D+1,6H+0,8Wy W3 H 400X400X13X21 1,2D+1,6H+0,8Wy W4 WF 300X150X6.5X9 1,2D+1,6H+0,8Wy W5 WF 250X125X6X9 1,2D+1,6H+0,8Wy Keterangan: Batang menahan aksial Tarik Batang Menahan Aksial Tekan ARIEF BUDIMAN IV-24

25 Lendutan Tabel 4. 8 Lendutan Model Redesign BENTANG JOINT LABEL L U1 U2 U3 R1 R2 R3 mm mm mm mm Radians Radians Radians TR ,529 2,471-70,363 0, , ,00032 TR ,425 0,534-70,380 0, , ,00077 TR ,092 0,231-58,369 0, , , ,031 1,267-44,160 0, , ,00046 TR ,546-14,299-36,121-0, , , ,623-1,687-36,017-0, , , ,917 21,330-19,206 0, , , ,757-0,411-36,061 0, , , ,921 0,374-45,075 0, , ,00060 TR ,469 0,022-62,774 0, , , ,909 6,248-66,732 0, , , ,081 1,394-48,592 0, , , ,824 3,957-25,456 0, , , ,335 5,412-43,394 0, , ,00071 TR ,445 7,697-59,797 0, , , ,640 4,224-56,779 0, , , ,054 2,886-32,277 0, , ,00026 Dari hasil redesign, nilai deformasi struktur menjadi lebih kecil. Karena penampang baru yang menggantikan penampang lama memiliki nilai inersia/ kekakuan yang lebih besar. Sehingga secara keseluruhan, struktur menjadi semakin kaku. ARIEF BUDIMAN IV-25

26 4.4.4 Model Masa Konstruksi Gaya Dalam Tabel 4. 9 Gaya Dalam Model Masa Konstruksi 1(hanya TR4) Frame Pu Mu Major Mu Minor Vu Major Vu Minor N Nmm Nmm N N , , , , , , , , ,74 Tabel Gaya Dalam Model Masa Konstruksi 2 (2 buah TR4 dan TR3) Frame Pu Mu Major Mu Minor Vu Major Vu Minor N Nmm Nmm N N ARIEF BUDIMAN IV-26