Analisis Pengaruh Pemodelan dan Eksentrisitas Pelat Buhul pada Sambungan Sendi Bangunan Struktur Baja

Analisis Pengaruh Pemodelan dan Eksentrisitas Pelat Buhul pada Sambungan Sendi Bangunan Struktur Baja Martin Ulpan DepartemenTeknik Sipil, Universitas Indonesia, Depok 16424 Email: [email protected]

Abstrak Pemodelan sambungan sendi pada analisis struktur baja biasanya disederhanakan dengan hanya melakukan release moment. Sedangkan keberadaan pelat buhul (gusset plate) dan eksentrisitasnya diabaikan. Pada penelitian ini dikaji pengaruh gusset plate pada respon struktur ketika komponen tersebut dimodelkan dan eksentrisitasnya diperhitungkan. Kemudian, analisis dilakukan dengan 3 macam pemodelan. Pertama, sambungan sendi dimodelkan dengan release moment. Kedua, gusset plate dan baut (untuk memunculkan efek eksentrisitasnya) pada sambungan sendi dimodelkan sebagai frame. Terakhir, sama dengan pemodelan kedua namun sebagai elemen shell. Variasi pembebanan yang dilakukan selain pada kondisi ideal juga terhadap adanya eksentrisitas pembebanan, faktor kejut, dan beban gempa. Untuk studi kasusnya yaitu pada bangunan struktur baja pabrik butadiene yang menahan sebuah mesin kondensor. Hasilnya, terjadi kenaikan nilai rasio tegangan dan rasio puntir yang cukup signifikan pada pemodelan kedua dan ketiga. Bahkan banyak sambungan sendi yang menjadi gagal terutama pada sambungan yang dekat dengan lokasi beban besar.

Analysis The Effect of Gusset Plate’s Modeling and Eccentricity on The Shear Connection of Steel Structur Building Abstract Modeling shear connection on steel structure analysis, commonly simplified by doing release moment. While the existence of gusset plate and its eccentricity were ignored. This study was examined the effect of gusset plate on structure response when its component was modeled and the eccentiricity was considered. Then, the analysis was done with 3 kinds of modeling. Firstly, the shear connection was modeled by releasing moment. Secondly, gusset plate and bolt (to appear its eccentricity) on the shear connnection were modeled as frame. The last, similar with second modeling, but as shell elemesnt. Loading variations that were assigned beside in ideal condition, also toward the loading eccentricity, impact factor, and seismic load. The case study was taken at steel structure building of butadiene factory that hold a condensor machine. As the result, the stress ratio and torsion ratio increased significantly at second and third modeling. Even, many shear connections were being failure especially in connection that close to the big loading. Keywords : Eccentricity; Gusset Plate; Shear Connection

Pendahuluan Suatu pabrik butadiene dibangun untuk menempatkan sebuah mesin kondensor dengan ditopang oleh 4 buah penyangga pada elevasi +26400. Beberapa hari setelah mesin diinstalasi, terjadi deformasi pada beberapa sambungan sendi. Sambungan sendinya berupa single plate dimana posisi dari pelat buhul terhadap web balok yang disambung tidak simetris sehingga menimbulkan eksentrisitas pada sambungannya. Dugaan awal terjadinya deformasi tersebut

Analisis pengaruh..., Martin Ulpan, FT UI, 2013.

yaitu adanya pengaruh eksentrisitas tersebut. Melalui penelitian ini, akan dikaji pengaruh eksentrisitas pada sambungan sendi dengan cara memodelkan pelat buhul (gusset plate) pada struktur.

Gambar 1. Lokasi mesin diletakkan (kiri) dan deformasi yang terjadi (kanan)

Landasan Teori Sambungan sendi harus dapat berubah bentuk agar memberikan rotasi yang diperlukan pada sambungan. Sambungan tidak boleh mengakibatkan momen lentur terhadap komponen struktur yang disambung. Detail sambungan harus mempunyai kemampuan rotasi yang cukup. Sambungan harus dapat memikul gaya reaksi yang bekerja pada eksentrisitas yang sesuai dengan detail sambungannya. (Tata Cara Perencanaan Struktur Baja Untuk Bangunan, SNI 03–172–2002). Sambungan eksentrik yaitu dimana resultan beban yang bekerja tidak melintasi titik pusat gravitasi pada baut atau las. Jika sambungan mempunyai bidang yang simetris, centroid dari area alat pengunci atau las dapat digunakan sebagai titik referensi, dan jarak vertikal dari garis kerja beban ke centroid disebut sebagai eksentrisitas. (William T. Segui, 2007).

Metode Penelitian Dan Pemodelan Alur berpikir dan bagaimana penelitian ini dilakukan lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 2. Struktur yang ingin dimodelkan yaitu struktur bangunan butadien extraction plant dengan tinggi 33,1 m. Untuk lokasi struktur dimana lokasi mesin berada dan gusset plate berdeformasi yaitu pada elevasi +26400. Pemodelan yang akan dilakukan yaitu dengan menghitung eksentrisitasnya dan yang tidak.


Gambar 2. Alur Berpikir

Identifikasi Struktur Tabel 1. Properti material dan dimensi komponen

Balok

Kolom Gusset plate Bresing Baut

Tanda G92,G95 G94,G93 B75,B76 B80,B81,B79,B83,B78,B84 B77,B82 C32,C36 P13,P16 GP2, GP3, GP4 GP18, GP161,GP166 GP168,GP176 HB23,HB29

Profil GRE40 GS588 BS194 BS350 BS588 C400 P300

HVL97

Ukuran (mm) H 400x200x8x13 H 588x300x12x20 H 194x150x6x9 H 350x350x12x19 H 588x300x12x20 H 400x400x13x21 H 300x300x10x15 200 x 12 440 x 12 140 x 10 L90x90x7 20

Mutu

SS400 = 400 Mpa = 240 Mpa

A325

Skematika Penahan gaya lateral arah Y (sumbu kuat) bangunan ini berupa sambungan kaku. Sedangkan arah X (sumbu lemah) berupa bresing. Oleh karena itu sambungan arah X diperbolehkan sambungan sendi . Bentuk sambungan sendinya yaitu single plate dimana posisi gusset plate dan web balok tidak simetris. Kemudian konfigurasi membernya juga tidak simetris, dimana letak posisi balok tidak saling simetris terhadap titik tengah mesin diletakkan, seperti antara B77 dengan B82, B81 dengan B80, dan G933 dengan G94.


Gambar 3. Skematika balok dan gusset plate pada struktur lokasi mesin

(a)

(b)

Gambar 4. Sambungan sendi single plate (a) tampak potongan atas, (b) tampak samping.

Pembebanan • Beban mati : - Berat sendiri struktur,

= 78,5 kN/m3

- Berat mesin ketika diam (empty weight)

= 64470 kg

- Berat mesin ketika beroperasi (operational weight) = 87990 kg - Beban Railing = 15 kg/m - Beban Grating = 50 kg/m2 • Beban hidup : - Beban lantai untuk bangunan pabrik


= 400 kN/m2

- Beban hidup pegangan pada railing •

= 0,75 kN/m

Beban gempa : Tata cara perencanaan ketahanan gempa untuk struktur bangunan gedung dan non gedung (RSNI 201x).

Modelisasi Struktur Modelisasi struktur menggunakan Structural Analysis Programme (SAP2000). Modelisasi yang dilakukan yaitu keseluruhan bangunan struktur seperti terlihat pada gambar 4. Hal ini dilakukan untuk mengetahui perilaku struktur secara keseluruhan. Untuk modelisasi struktur selanjutnya hanya pada bagian struktur yang ditinjau yaitu struktur pada elevasi +26400 dimana mesin berada. Bagian struktur tersebut akan dimodelkan ke dalam 3 tipe pemodelan sebagai berikut:

EL +26400

Gambar 5. Pemodelan keseluruhan bangunan struktur

Pemodelan 1 Pada pemodelan ini, sambungan sendi hanya dilakukan release moment. Sehingga tidak ada pengaruh eksentrisitas sambungan yang terjadi karena gusset plate tidak dimodelkan. Untuk mendapatkan nilai kekuatan gusset plate, dilakukan pemodelan gusset plate secara terpisah dengan menggunakan SAP2000 dan pembebanan yang dilakukan berasal dari ouput gaya dalam di titik lokasi sambungan.


Gambar 6. Pemodelan 1(kiri) dan gusset plate dimodelkan terpisah (kanan)

Pemodelan 2 Dari gambar struktur, gusset plate dibaut pada web balok yang ingin disambung dan dilas pada ujung lainnya. Kemudian gusset plate dan juga baut dimodelkan sebagai elemen frame dengan panjang baut yaitu jarak ½ tebal gusset plate ditambah ½ tebal web balok yang disambung. Untuk gusset plate yang ujungnya dilas, maka dimodelkan sebagai sambungan rigid sedangkan yang dibaut dimodelkan sebagai sambungan sendi. Untuk memberikan sifat sebagai sambungan sendi, titik pertemuan baut dengan web beam dilakukan release moment. Perlu diperhatikan pula bahwa pada bagian gusset plate yang berada di antara flange balok akan menerima kekakuan dan inersia bahan dari flange tersebut dan akan dimodelkan sebagai balok WF dengan tebal flange sama dengan tebal flange balok dimana gusset plate dilas.

Gambar 7. Pemodelan 2

Pemodelan 3


Untuk pemodelan yang terakhir, prinsipnya sama dengan pemodelan 2 dimana gusset plate dan baut dimodelkan. Perbedaannya yaitu untuk elemen balok dimodelkan sebagai shell pada bagian web nya sedangkan bagian flange dimodelkan sebagai frame. Kemudian pada bagian web tersebut di-mesh sehingga area web terbagi ke dalam beberapa nodal. Gusset plate juga dimodelkan serupa. Sedangkan untuk baut, dimodelkan sebagai frame dengan ujung baut yang disambung dengan balok dilakukan release moment.

Gambar 8. Pemodelan 3

Simulasi Untuk variasi pembebanannya, dibagi ke dalam 3 macam kondisi. Pembebanan dengan kondisi ideal Pembebanan tiap penopang sama besar yaitu 25% dari total beban mesin. Kondisi ini secara praktik mustahil karena sangat sulit menempatkan mesin dengan zero impact dan penempatan yang sempurna (kasus 1). Pembebanan dengan adanya eksentrisitas. Pada saat pemasangan mesin kondensor, beban yang bekerja pada keempat penopang tersebut sulit untuk menjadi konsentris. Sehingga kasus ini dimodelkan dengan variasi

5% pada

setiap penopang, yaitu 5% eksentrisitas pada arah barat - timur (kasus 2) dan 5 % eksentrisitas arah utara – selatan (kasus 3). Pembebanan dengan adanya faktor kejut Pada saat instalasi mesin, beban yang dihasilkan bisa lebih besar dibandingkan beban saat mesin dalam keadaan diam (empty weight) yang mana besarnya tergantung dari pengoperasian dari mobil crane. Untuk kasus ini, dimodelkan dengan menganggap beban


yang bekerja bertambah 10 % dari berat mesin saat keadaan diam (empty weight) yang ditopang. Nilai ini diperoleh berdasarkan expert judgement. Tabel 2. Eksentrisitas pembebanan Beban Penopang P1 P2 P3 P4

P = 64470 kg atau 87990 kg Kasus 1 Kasus 2 Kasus 3 %P %P %P 25 20 30 25 20 20 25 30 20 25 30 30

Gambar 9. Titik penopang mesin

Untuk simulasi yang dilakukan akan dibagi ke dalam dua tahapan konstruksi yaitu tahapan instalasi dan operasional. Tahapan instalasi yaitu tahapan ketika mesin kondensor sedang diletakkan pada tiap penopangnya dengan menggunakan crane. Sedangkan tahapan operasional yaitu ketika mesin sudah selesai diinstalasi dan siap untuk dioperasikan. Tabel 3. Simulasi Tahapan konstruksi

Tipe pembebanan

Beban Mesin

Instalasi

Kasus 1 Kasus 2 Kasus 3

Empty weight

Operasional

Kasus 1 Kasus 2 Kasus 3

Faktor kejut

Beban Gempa

Ya

Tidak

Displacement dan rasio puntir

Kombinasi Beban Metode tegangan izin Metode tegangan izin

Ya

Tidak

Rasio Tegangan

Metode ultimit

Tidak

Tidak

Displacement dan rasio Puntir

Metode tegangan izin

Tidak

Tidak

Rasio Tegangan

Metode ultimit

Tidak

Ya

Output Rasio Tegangan

Empty Weight Operational weight


Displacement dan rasio Puntir

Metode tegangan izin

Tidak

Ya

Hasil dan Analisis • Periode getar, jumlah mode, dan gaya geser dasar. • Member displacement • Rasio tegangan dan gusset plate. Batas izin = 0,95. Jika lebih dari itu, maka dianggap overstressed. • Rasio Puntir Batas izin nilai rasio puntir sebesar 1/250 atau 0,004.

Periode getar dan jumlah mode Dari ketiga pemodelan ternyata menghasilkan jumlah mode yang sama untuk mencapai partisipasi massa sebesar 90% pada arah X, Y, dan torsi. Namun pada mode 1 bekerja mode arah Y dan torsi secara bersamaan. Hal ini kurang baik pada struktur seandainya terjadi gempa karena struktur akan mengalami puntir terlebih dahulu. Sedangkan nilai periode getarnya, tidak terlalu berbeda jauh antara masing – masing pemodelan. Sehingga dari data yang diperoleh ini dapat disimpulkan bahwa perilaku struktur secara keseluruhan setelah dilakukan 3 pemodelan ini, tidak jauh berbeda. Tabel 4. Partisipasi massa Jumlah Mode

Pemodelan 1 2 3

11 11 11

Arah X Periode Mode 0,45 3 0,451 2 0,501 2

% 73 72 66

Partisipasi Massa Arah Y Periode Mode 0,783 1 0,803 1 0,833 1

% 67 68 66

Periode 0,783 0,803 0,833

Torsi Mode 1 1 1

% 77 76 75

Gaya geser dasar Gaya geser dasar ketiga pemodelan memenuhi syarat

, sehingga tidak

perlu dilakukan scele up pada beban gempa respon spektrum. Tabel 5. Gaya geser dasar statik dan dinamik Pemodelan 1 2

arah X Y X

Vdinamik (N) 191638,4 191638,4 185861,35

Vstatik (N) 143227,6 161865 154192,9

0,85 Vstatik (N) 121743,5 137585,2 131063,9


Status OK OK OK

Y X Y

3

183218,97 171058,96 175547,59

174257,1 154295,6 174373,2

148118,5 131151,2 148217,2

OK OK OK

Displacement Untuk balok, pada sumbu Z terjadi perbedaan yang mencolok antara pemodelan 1 dengan pemodelan 2 dan 3 pada profil yang dekat dengan lokasi penopang mesin yaitu B78, B79, B80, B81, B84, dan B83. Hal ini juga terkait gaya yang besar bekerja pada daerah sambungan. Tabel 6. Displacement balok tahapan instalasi kasus 1

Member G94 G93 G92 G95 B77 B82 B81 B80 B79 B83 B78 B84 B75 B76

X mm 0,654 0,767 0,716 0,767 0,747 0,757 0,634 0,750 0,682 0,687 0,750 0,750 0,689 0,694

Pemodelan 1 Y Z mm mm -1,277 -8,069 -1,281 -5,863 -1,281 -5,178 -1,013 -5,208 -1,215 -7,924 -1,083 -7,951 -1,215 -8,953 -1,215 -7,387 -1,215 -8,934 -1,141 -8,936 -1,215 -7,743 -1,138 -7,770 -1,279 -7,846 -1,082 -7,873

X mm 0,623 0,749 0,674 0,784 0,723 0,736 0,610 0,732 0,647 0,667 0,725 0,727 0,659 0,682


X mm 0,664 0,786 0,665 0,875 0,661 0,806 0,528 0,672 0,536 0,586 0,855 0,866 0,732 0,769


Untuk gusset plate, displacement antar pemodelan tidak jauh berbeda. Namun pada arah Z terjadi perbedaan nilai yang mencolok pada gusset plate didekat penopang mesin antara pemodelan yang memperhitungkan eksentrisitas dengan yang tidak. Dimana terjadi kenaikan berkisar 3 – 7 mm pada pemodelan 2 dan 3. Untuk displacement pemodelan 1, diperoleh dari titik dimana lokasi gusset plate berada, karena pada pemodelan ini gusset plate dimodelkan terpisah. Tabel 7. Displacement gusset plate tahapan instalasi kasus 1

Member GP166(a) GP166(b) GP18(a) GP18(b) GP161(a)

Pemodelan 1 X Y Z mm mm mm 0,628 0,654 0,716 0,767 0,633

-1,277 -1,013 -1,281 -1,013 -1,215

-5,178 -5,208 -2,955 -3,021 -7,182


-1,246 -0,942 -1,281 -0,965 -1,189

-5,394 -5,486 -3,142 -3,182 -8,308



-1,505 -0,878 -1,442 -0,969 -1,331

-5,774 -5,843 -3,674 -3,716 -8,648

GP161(b) GP161(c) GP161(d) GP4(a) GP4(b) GP4(c) GP4(d) GP2(a) GP2(b) GP2(c) GP2(d) GP3(a)

0,728 0,647 0,757 0,633 0,634 0,747 0,749 0,632 0,632 0,750 0,750 0,682

-1,215 -1,082 -1,082 -1,215 -1,082 -1,215 -1,082 -1,161 -1,141 -1,157 -1,138 -1,215

-4,966 -7,199 -5,003 -7,658 -7,678 -6,085 -6,120 -8,934 -8,936 -7,367 -7,371 -7,924

0,723 0,626 0,736 0,613 0,618 0,721 0,728 0,620 0,621 0,720 0,723 0,648

-1,189 -0,990 -0,993 -1,187 -1,005 -1,199 -0,995 -1,127 -1,070 -1,116 -1,050 -1,184

-6,130 -8,395 -6,185 -11,383 -11,435 -9,586 -9,616 -14,947 -14,963 -13,401 -13,411 -12,230

0,666 0,686 0,761 0,530 0,520 0,662 0,746 0,514 0,545 0,849 0,861 0,544

-1,157 -1,157 -1,332 -1,455 -1,115 -1,307 -1,208 -1,282 -1,176 -1,314 -1,210 -1,103

-6,056 -8,751 -6,118 -11,250 -11,169 -9,515 -9,407 -14,855 -14,834 -13,765 -13,733 -12,068

GP3(b) GP3(c) GP3(d) GP168(a) GP168(b) GP176(a) GP176(b)

0,687 0,696 0,699 0,688 0,694 0,689 0,693

-1,083 -1,215 -1,083 -1,279 -1,013 -1,215 -1,082

-7,951 -7,743 -7,770 -4,121 -4,181 -7,846 -7,873

0,668 0,679 0,699 0,659 0,682 0,659 0,682

-1,005 -1,183 -1,004 -1,239 -0,910 -1,197 -0,986

-12,279 -11,722 -11,759 -4,285 -4,324 -7,092 -7,141

0,623 0,446 0,826 0,732 0,593 0,743 0,571

-1,181 -1,302 -1,358 -0,812 -0,554 -0,812 -0,793

-12,074 -11,474 -11,463 -4,843 -4,880 -7,695 -7,681

.

Rasio Tegangan Rasio tegangan pada baut, balok, dan gusset plate yang mendapat kekakuan flange nilainya masih aman pada semua variasi pembebanan. Sedangkan gusset plate tanpa kekakuan flange tidak semua aman dan akan dijelaskan sebagai berikut : Tahapan Instalasi Pada tahapan instalasi kasus 1, gusset plate pada ketiga pemodelan masih aman dari batas izin rasio tegangan. Pada kasus 2 dan kasus 3, mulai ada gusset plate yang gagal pada pemodelan 3. Jumlahnya masih sedikit sekitar 1 – 3 titik. Sesuai dengan fakta dilapangan bahwa deformasi terjadi beberapa hari setelah instalasi. Tahapan Operasional Pada tahapan ini, beberapa gusset plate dengan memodelkan eksentrisitas (pemodelan 2 dan 3) mengalami overstressed. Dimana nilai rasio tegangan yang memperhitungkan eksentrisitas ini dan yang tidak rata – rata 1,5 sampa 2,5 kali lebih besar. Pada pembebanan terkecil yaitu pada kasus 1 empty weight saja, gusset plate sudah gagal yaitu di GP2 dan GP4. Untuk pembebanan terbesar yaitu Kasus 3 operational weight dengan beban gempa, lokasi gusset plate yang overstressed bertambah yaitu pada GP4, GP3, GP2, GP 176 dan GP161(b). Jika diperhatikan, gusset plate yang gagal tersebut berada didekat mesin diletakkan. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada grafik berikut ini :


Gambar 10. Rasio Tegangan Gusset Plate (Kasus 1 Empty Weight)

Gambar 11. Rasio Tegangan Gusset Plate (Kasus 3 Operational Weight + beban gempa)

Rasio Puntir Pada kasus dengan pembeban terkecil (tahapan instalasi kasus 1 dengan beban empty weight), nilai rasio puntir balok pemodelan 1 semuanya masih di bawah batas puntir izin. Namun pada pemodelan 2 dan 3, beberapa balok seperti B81, B80, B79, B83, B78, dan B84 (lokasinya dekat beban mesin) lebih dari batas maksimum. Bahkan ada yang nilainya mencapai 0,0255. Hal ini menandakan terjadi gaya dalam torsi yang cukup besar pada daerah tersebut. Pada pembebanan terbesar (tahapan instalasi kasus 1 dengan beban operational weight), balok yang gagal puntir masih sama tetapi nilainya menjadi lebih besar.


Gambar 12. Rasio puntir balok (K1 EW Tahapan Instalasi)

Gambar 13. Rasio puntir balok (K3 OW + beban gempa pada T. Operasional)

Gusset plate pada pemodelan 1 dengan pembeban terkecil (tahapan instalasi kasus 1 dengan beban empty weight), nilai rasio puntir masih dibawah batas izin. Sedangkan pada pemodelan 2 dan 3, nilai rasio puntir sangat besar hingga seluruh gusset plate melewati batas izin kecuali pada GP168 dan GP176. Kenaikan nilai yang terjadi cukup bervariasi pada tiap gusset plate. Untuk yang terbesar mampu mencapai 20 kali lebih besar. Pada pembebanan terbesar (tahapan instalasi kasus 1 dengan beban operational weight), gusset plate yang gagal puntir lokasinya masih sama tetapi nilainya menjadi lebih besar.

Gambar 14. Rasio puntir gusset plate (K1 EW Tahapan Instalasi)


Gambar 13. Rasio puntir gusset plate (K3 OW + beban gempa pada T. Operasional)

Kesimpulan Untuk melihat rasio tegangan dan puntir pada gusset plate tidak bisa dideteksi pada cara pemodelan 1. Sedangkan pada pemodelan 2 dan 3 dimana eksentrisitas diperhitungkan, nilai rasio tegangan dan puntir lebih mendekati dengan keadaan sebenarnya. Nilai rasio tegangan maupun rasio puntir yang dihasilkan juga sangat besar terutama pada gusset plate atau balok yang dekat dengan beban mesin. Sebagai saran bahwa pentingnya memperhitungkan nilai eksentrisitas pada sambungan sendi terutama pada area yang memperoleh pembebanan yang besar. Perhitungan yang dilakukan bisa seperti pada pemodelan 2 atau pemodelan 3. Namun pemodelan 2 lebih realistis dilakukan karena jauh lebih mudah dibandingkan pemodelan 3 dan nilai yang dihasilkan juga tidak terlau jauh . Daftar Referensi Badan Standarisasi Nasional. (2010). Tata cara perencanaan ketahanan gempa untuk struktur bangunan gedung dan non gedung (RSNI3 03–1726–201x). Jakarta: Author Departemen Pekerjaan Umum. (2002). Tata Cara Perencanaan Struktur Baja Untuk Bangunan (SNI 03–172–2002). Jakarta: Author Departemen Pekerjaan Umum. (1989). Tata Cara Perencanaan Pembebanan Untuk Rumah dan Gedung (SNI 1727–1989). Jakarta: Author Segui, William T. (2007). Steel Design (International Student Edition). Canada: Nelson, a division of Thomson. YL Engineers Indonesia (2012). Technical Report, Steel Construction Joint Evaluation Structure No. 4 PBI BDE Project – Chandra Asri. Jakarta: Author


Analisis Pengaruh Pemodelan dan Eksentrisitas Pelat Buhul pada Sambungan Sendi Bangunan Struktur Baja

Recommend Documents