STUDI PERBANDINGAN ANTARA GABLE FRAME METODE BAJA TAPER DENGAN METODE BAJA KONVENSIONAL DITINJAU DARI SEGI KEKUATAN DAN BIAYA TUGAS AKHIR Disusun oleh : AKBAR SOESILO 10 0404 107 Dosen Pembimbing Ir. Daniel Rumbi Teruna, M.T. NIP 195907071987101001 SUB JURUSAN STRUKTUR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016
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 1729-2015, SNI pembebanan 1727-2013, AISC 2010 i
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
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 10 0404 107 iii
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... 1 1.2 Permasalahan... 1 1.3 Perumusan Masalah... 4 1.4 Maksud dan Tujuan... 4 1.5 Pembatasan Masalah... 4 1.6 Metodologi Penelitian... 5 1.7 Sistematika Penulisan... 5 BAB II. TEORI DASAR 2.1 Pengenalan Struktur Baja... 6 2.1.1. Struktur baja... 6 2.1.2. Kelebihan & Kelemahaan Baja... 6 2.1.3. Kategori Baja Struktural... 6 2.1.4. Jenis-jenis baja structural... 12 2.1.5. Hubungan Tegangan & Regangan Baja... 13 2.1.6. Pengaruh suhu terhadap material baja... 14 2.1.7. Kelelahan baja akibat beban siklik... 16 2.2 Metode Perencanaan Konstruksi Baja... 17 2.2.1 Metode ASD (Allowable Stress Design)... 17 2.2.2 Metode LRFD (Load Resistance Factor Design)... 18 2.3 Pembebanan... 20 2.3.1 Beban Mati... 20 iv
2.3.2 Beban Hidup... 21 2.3.3. Beban Angin... 26 2.3.4. Kombinasi Beban... 29 2.4 Kondisi batas baja... 30 2.5 Batang Tekan... 31 2.5.1. Teori Tekuk (buckling)... 35 2.5.2. Panjang Efektif... 37 2.5.3. Pengaruh bentuk penampang terhadap tekuk... 39 2.5.4. Kuat Tekan Nominal... 41 2.5.4.1. Tekuk Lentur... 41 2.5.4.2. Tekuk Torsi & Tekuk Lentur-Torsi... 43 2.6 Balok Lentur... 44 2.6.1. Pengaruh kelangsingan Elemen... 46 2.6.1.1. Tekuk Lokal... 46 2.6.1.2. Tekuk Torsi Lateral... 47 2.6.1.3. Bentuk momen dan factor C b... 54 2.6.1.4. Rasio lebar-tebal dan klasifikasi... 56 2.6.2. Pertambatan Lateral... 59 2.6.3. Kuat lentur (momen) nominal... 64 2.6.3.1. Profil I kompak... 68 2.6.4 Lendutan batang... 73 2.6.5. Kuat geser nominal... 74 2.6.5.1. Kuat geser-normal... 76 2.6.5.2. Kuat geser-badan langsing... 79 2.7. Batang balok kolom (portal)... 82 2.7.1. Batang portal terhadap kombinasi gaya momen... 83 2.7.2. Penampang simetri terhadap lentur & gaya aksial... 84 2.8. Taper Frame... 85 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Pendahuluan... 88 3.2. Metode penelitian... 89 3.3. Analisa Struktur... 90 v
3.3.1. Analisa linear vs analisa non-linear... 90 3.3.2. Cara klasikal vs Metode Matrix... 91 3.3.3. Metode matrix vs metode elemen hingga... 92 3.3.4. Metode Matrix... 93 3.3.4.1. Metode Kekakuan... 99 3.3.4.2. Matriks Kekakuan Struktur Lokal... 101 3.3.4.3. Matriks Kekakuan Struktur Global... 104 3.3.4.4. Matriks Kekakuan Sttruktur... 106 3.3.4.5. Derajat ketidak-tentuan kinematis (DoF)... 106 3.3.4.6. Prosedur Analisa Struktur... 116 3.4. Matriks Kekakuan elemen-elemen... 114 3.4.1 Matriks Kekakuan elemen balok... 114 3.4.2 Matriks Kekakuan elemen balok beban terbagi rata. 120 3.4.3 Matriks Kekakuan Elemen Truss/rangka... 122 3.4.4 Matriks Kekakuan Elemen Frame... 124 3.4.5 Matriks Kekakuan Elemen balok kolom... 125 3.4.6 Matriks Kekakuan Taper balok-kolom... 125 3.5. Contoh perhitungan manual balok tapered... 128 3.6. Data workshop... 134 3.5.1. Data workshop A... 134 3.5.2. Data workshop B... 135 BAB IV ANALISA HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Pembebanan... 136 4.2 Material... 136 4.3 Geometri Struktur... 137 4.4. Hasil Analisa Workshop A... 138 4.4.1. Profil Konvension... 138 4.4.2. Profil Tapered... 143 4.5. Hasil Analisa Workshop B... 147 4.5.1. Profil Konventional... 147 4.5.2. Profil Tapered... 152 4.6. Hasil dan Pembahasan... 156 vi
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan... 158 5.2 Saran... 158 DAFTAR PUSTAKA... 159 vii
DAFTAR GAMBAR Gambar 1.2.1 Ilustrasi Baja Konvensional IWF... 2 Gambar 1.2.2 Aplikasi Baja Konvensional... 2 Gambar 1.2.3 Ilustrasi Baja Taper... 3 Gambar 1.2.4 Aplikasi Baja Taper... 3 Gambar 1.2.5 Cara Membuat Baja Taper dari Baja IWF... 4 Gambar 2.1.5 Grafik hubungan tegangan regangan... 13 Gambar 2.1.6 Pengaruh suhu pada baja... 15 Gambar 2.1.7 Hubungan load-displacement akibat beban monotonic... 17 Gambar 2.3.3 Pengaruh gaya angin pada portal... 28 Gambar 2.3.4 Penentuan nilai α dan z g berdasarkan kategori eksposur... 29 Gambar 2.5 Fenomena tekuk... 32 Gambar 2.5.1.1 Perilaku tekuk elemen langsing... 35 Gambar 2.5.1.2 Percobaan daya dukung kolom model... 36 Gambar 2.5.1.3 Model kolom ideal dari Euler... 37 Gambar 2.5.2 Konsep panjang efektif & daya dukung kolom... 38 Gambar 2.5.3 Bentuk penampang dan perilaku tekuk kolom... 40 Gambar 2.5.4.1 Perbandingan kurva F cr mutu baja ASTM terhadap KL/r... 43 Gambar 2.6.1. Dimensi balok dan perilakunya... 45 Gambar 2.6.2. Permasalahan balok tinggi pada struktur baja... 46 Gambar 2.6.1.1.1 Local buckling pada balok... 46 Gambar 2.6.1.1.2 Tekuk local pada belat badan dan sayap... 47 Gambar 2.6.1.1.3 Tekuk local pada penampang langsing... 47 Gambar 2.6.1.2.1 Balok yang mengalami lentur dan tekuk lateral... 48 viii
Gambar 2.6.1.2.2 Perilaku struktur kantilever profil UNP... 48 Gambar 2.6.1.2.3 Fenomena tekuk lateral pada kantilever... 49 Gambar 2.6.1.2.4 Pertambatan lateral pada jembatan... 50 Gambar 2.6.1.2.5 Stabilitas balok lentur... 51 Gambar 2.6.1.2.6 Konstanta torsi (J) penampang tertutup dan pipa terbelah... 52 Gambar 2.6.1.3 Momen gradient dalam penentuan C b... 53 Gambar 2.6.1.4 Perilaku penampang berdasarkan klasifikasi... 54 Gambar 2.6.2.1 Balok dengan pertambatan lateral... 57 Gambar 2.6.2.2 Kondisi pertambatan lateral pada balok... 57 Gambar 2.6.2.3 Sistem bracing pada jembatan baja melengkung... 58 Gambar 2.6.2.4 Kategori penampang yang dianggap tanpa lateral bracing... 59 Gambar 2.6.2.5 Prinsip dasar pemasangann lateral bracing... 60 Gambar 2.6.2.6 Macam-macam pertambatan lateral balok... 61 Gambar 2.6.2.7 Pertambatan lateral pada konstruksi jembatan... 62 Gambar 2.6.3.1 Prosedur perencanaan balok lentur dengan profil IWF... 65 Gambar 2.6.3.1.1 Profil I kompak... 66 Gambar 2.6.3.1.2 Mekanisme struktur baja lelah... 67 Gambar 2.6.3.1.3 Hubungan M n L b balok penampang kompak... 72 Gambar 2.6.5.1 Kondisi geser pelat pasca tekuk... 74 Gambar 2.6.5.2. Mekanisme pengalihan gaya geser pelat pasca tekuk... 75 Gambar 2.6.5.1.1 Pengaruh kelangsingan terhadap nilai C v... 77 Gambar 2.6.5.1.2. Alternatif detail pelat pengaku tegak... 78 Gambar 2.6.5.1.3 Balok dengan pelat pengaku tegak... 79 Gambar 2.6.5.2.1 Mekanisme kerja tension field action... 80 Gambar 2.7 Struktur portal statis tak tentu... 82 ix
Gambar 2.7.1.1 Kurva kapasitas batang gemuk pada kombinasi gaya momen 83 Gambar 2.7.1.2 Kurva interaksi kombinasi gaya momen sederhana... 84 Gambar 2.8 Proses pembentukan baja taper... 86 Gambar 3.3.4 Model matrix segi empat... 93 Gambar 3.3.4.2.1 Titik simpul dan elemen... 101 Gambar 3.3.4.2.2 Aturan tangan kanan pada system koordinat lokal... 103 Gambar 3.3.4.2.3 Aturan tangan kanan pada system koordinat lokal... 103 Gambar 3.3.4.3.1 Matriks kekakuan pada sumbu global... 105 Gambar 3.3.4.3.2 Aturan tangan kanan pada system koordinat global... 106 Gambar 3.3.4.4 Penomoran untuk noda dan batang... 107 Gambar 3.3.4.5 Derajat ketidaktentuan kinematis struktur... 113 Gambar 3.4.1 Beam dengan penampang uniform... 114 Gambar 3.4.2 Balok dengan beban terbagi rata... 120 Gambar 3.4.2.2 Pemberian nomor simpul... 121 Gambar 3.4.2.3 Momen primer... 121 Gambar 3.4.2.4 Gaya dalam yang terjadi... 122 Gambar 3.4.3 Elemen batang yang dipengaruhi gaya luar... 124 Gambar 3.6.1 Data workshop A... 135 Gambar 3.6.2 Data workhop B... 136 Gambar 4.3.1 Geometri workshop A... 138 Gambar 4.3.2. Geometri workshop B... 138 Gambar 4.4.1.1 Model struktur workshop A konvensional SAP2000... 139 Gambar 4.4.1.2 Penomoran batang workshop A konvensional SAP2000... 139 Gambar 4.4.1.3 Bidang normal WSA konvensioanal SAP2000... 142 Gambar 4.4.1.4 Bidang geser WSA konvensional SAP 2000... 142 x
Gambar 4.4.1.5 Bidang momen WSA konvensional SAP2000... 143 Gambar 4.4.1.6 D/C ratio WSA konvensional SAP2000... 143 Gambar 4.4.2.1 Model Struktur WSA taper SAP2000... 145 Gambar 4.4.2.2. Penomoran batang WSA taper SAP2000... 145 Gambar 4.4.2.3 Bidang normal WSA taper SAP2000... 146 Gambar 4.4.2.4 Bidang geser WSA taper SAP2000... 146 Gambar 4.4.2.5. Bidang momen WSA taper SAP2000... 146 Gambar 4.4.2.6 D/C ratio taper SAP2000... 147 Gambar 4.5.1.1 Model struktur WSB konvensional SAP2000... 148 Gambar 4.5.1.2 Penomoran struktur WSB konvenional SAP2000... 149 Gambar 4.5.1.3 Bidang normal WSB konvensional SAP2000... 151 Gambar 4.5.1.4 Bidang geser WSB konvensional SAP2000... 151 Gambar 4.5.1.5 Bidang momen WSB konvensional SAP2000... 151 Gambar 4.5.1.6 D/C ratio WSB konvensional SAP2000... 152 Gambar 4.5.2.1 Model struktur WSB taper SAP2000... 154 Gambar 4.5.2.2 Penomoran WSB taper SAP2000... 154 Gambar 4.5.2.3 Bidang normal WSB taper SAP2000... 154 Gambar 4.5.2.4 Bidang geser WSB taper SAP2000... 154 Gambar 4.5.2.5 Bidang momen WSB taper SAP2000... 155 Gambar 4.5.2.6 D/C ratio WSB taper SAP2000... 155 xi
DAFTAR TABEL Tabel 2.1.3.1 Mutu baja berdasarkan SNI 03-1729-2002... 8 Tabel 2.1.3.2 Mutu baja berdasarkan ASTM (2004)... 8 Tabel 2.1.3.3 Spesifikasi baja bangunan menurut ASTM... 9 Tabel 2.1.3.4 Mutu baja profil canal panas menurut JIS G3101-2004... 11 Tabel 2.1.3.5 Material baja standari JIS... 11 Tabel 2.2.2 Faktor tahanan Ø (AISC 2010)... 19 Tabel 2.3.1 Berat bangunan berdasarkan SNI 03-1727-1989-F... 21 Tabel 2.3.2 Beban hidup menurut kegunaan SNI 1727 ; 2013... 22 Tabel 2.3.3.1 Faktor arah angin, K d... 26 Tabel 2.3.3.2 Faktor topografi... 27 Tabel 2.3.3.3 Nilai koefisien tekanan internal (GC pi )... 28 Tabel 2.5 Klasifikasi elemen pada batang tekan aksial... 34 Tabel 2.6.1.4 Klasifikasi elemen tekan batang memikul lentur... 54 Tabel 2.6.3.1 Batas kelangsingan elemen sayap penampang SNI 2015... 63 Tabel 2.6.3.2 Batas kelangsingan elemen badan penampang SNI 2015... 64 Tabel 2.6.4 Batas lendutan maksimum... 73 Tabel 3.3.4.4 Definisi simpul 1 dan 2 pada setiap elemen... 107 Tabel 3.4.2 Gaya-gaya reduksi... 122 Tabel 4.1 Berat atap... 136 Tabel 4.4.1 Hasil output D/C ratio WSA konvensional SAP2000... 142 Tabel 4.4.2 Hasil output D/C ratio WSA taper SAP2000... 146 Tabel 4.5 Hasil output D/C ratio WSB konvensional SAP2000... 151 Tabel 4.5.2 Hasil output D/C ratio WSB taper SAP2000... 154 xii
Tabel 4.6.1 Perbedaan volume dan harga WSA... 156 Tabel 4.6.2 Perbedaan volume dan harga WSB... 157 xiii
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
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