JURNAL TEKNIK SIPIL USU Kajian Kekuatan Dan Stabilitas Struktur Bangunan Menara Tungku Pembakaran Batu Bara Dengan Memperhitungkan Pengaruh Gempa, Angin Dan Temperatur Tinggi Hendry Tanadi1 dan Torang Sitorus2 Mahasiswa Departemen Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara, Jl. Perpustakaan No. 1 Kampus USU Medan Email :
[email protected] 2 Staff Pengajar Departemen Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara, Jl. Perpustakaan No. 1 Kampus USU Medan
1
ABSTRAK Pada umumnya, rangka baja sering digunakan pada bangunan-bangunan tinggi seperti menara, gudang, pabrik, gedung perkantoran dll. Material baja pada rangka baja tersedia dalam berbagai jenis ukuran dan mempunyai sifat – sifat yang menguntungkan dalam perencanaan struktur bangunan. Dalam perencanaan struktur bangunan, suatu desain rangka baja harus mampu menahan beban - beban rencana yang umum seperti beban mati, beban hidup, beban gempa, beban angin dan beban khusus lain contohnya temperatur yang tinggi. Dan untuk itu dalam Tugas Akhir ini penulis akan mengkaji kekuatan sebuah desain struktur baja portal 3D bangunan menara tungku pembakaran batu bara untuk mengetahui ketahanan struktur tersebut menahan beban- beban rencana yang akan diberikan. Metode yang digunakan dalam penelitian ini dibagi menjadi tiga tahap yaitu desain struktur, analisis dan output. Penelitian ini menggunakan program SAP 2000 untuk menganalisis struktur 3D terhadap pengaruh beban mati, gempa, angin dan temperatur untuk mendapatkan output berupa nilai gaya-gaya dalam (momen, lintang, normal) maksimum dan juga besarnya nilai deformasi maksimum akibat beban-beban yang teraplikasi pada desain struktur baja portal 3D bangunan menara tungku pembakaran batu bara. Kata kunci : rangka baja, struktur portal 3D, gempa, angin, temperatur, SAP2000 ABSTRACT In general, steel frame is often used in high-rise buildings such as towers, warehouses, factories, office buildings etc. Steel material on the steel frames are available in a variety of sizes and has properties that benefit in planning building structure. In planning the building structure, a steel frame design must be able to withstand general loads plan such as dead loads, live loads, seismic loads, wind loads and other special loads like high temperature for example. And for that in this final project, the writer will examine the strength of a 3D steel portal structure design from coal-burning furnace tower building to determine the resistance of the structure to withstand the loads plan that will be given. The method used in this study were divided into three stages: structural design, analysis and output. This study uses SAP 2000 program to analyze the 3D structure from the influence of dead load, seismic load, wind load and temperature to obtain the output such as the value of maximum internal forces (moment, latitude, normal) and also the value of maximum deformation due to the loads that are applied on 3D steel portal structure design from coal-burning furnace tower building. Keywords : steel structure , 3D portal structure , seismic , wind , temperature , SAP 2000
1
1. Pendahuluan Struktur baja telah banyak digunakan di seluruh pelosok dunia untuk perencanan suatu bangunan. Struktur baja menjadi salah satu pilihan terbaik dalam sudut pandang keuntungan bagi para perencana bangunan dibandingkan dengan material lainnya. Struktur baja sering digunakan dalam perencanaan bangunan tinggi contohnya seperti bangunan menara , gudang , pabrik , gedung perkantoran dan lainnya. Material baja pada struktur baja juga tersedia dalam berbagai jenis ukuran dan mempunyai sifat - sifat yang menguntungkan dalam perencanaan struktur bangunan. Dalam perencanaan struktur baja, seorang perencana harus mampu merencanakan bangunan yang kuat dan dapat menahan beban rencana. Untuk penentuan beban rencana yang bekerja pada struktur baja atau elemen struktur secara tepat tidak selalu bisa dilakukan. Walaupun beban pada struktur diketahui, distribusi beban dari elemen ke elemen pada struktur biasanya membutuhkan anggapan dan pendekatan. Beberapa jenis beban rencana yang paling umum yaitu beban mati, beban hidup, beban gempa, dan beban angin.Untuk merencanakan suatu struktur bangunan, seorang perencana harus mengikuti pedoman dalam merencanakan bangunan sesuai dengan standard dan aturan yang ada. Aturan perencanaan yang paling banyak dipakai ialah aturan perencanaan dari America Institute of Steel Construction (AISC), yang dicantumkan dalam Spesification for the Design, Fabrication, and Erection of Structural Steel for Buildings, yang selanjutnya akan disebut Spesifikasi AISC. Dan perlu di pertimbangkan juga faktor keamanan yang diperlukan untuk perencanaan struktur baja hakekatnya adalah gabungan dari faktor ekonomi dan statistik. Berdasarkan latar belakang diatas, maka tugas akhir ini dimaksudkan untuk membahas pengaruh beban rencana dan suhu pada suatu struktur bangunan baja yang didasari dengan pedoman aturan perencanaan struktur baja dari spesifikasi AISC dan pertimbangan faktor keamanannya. 2. Perumusan Masalah Model struktur baja yang akan dianalisis adalah sebuah desain struktur baja bangunan menara tungku pembakaran batu bara (furnace). Struktur baja ini didesain dengan ukuran panjang 8,32 meter, lebar 6,92 meter dan tinggi 18,15 meter menggunakan jenis profil WF, yang menopang 2 buah tungku pembakaran seberat 2 x 1100 ton yang bertemperatur sekitar 300̊ C setelah diisolasi dengan fire brick. 3. Tujuan dan Manfaat Penulisan Penulis bertujuan menganalisa perilaku kekuatan dan stabilitas desain struktur baja menara tungku pembakaran (furnace) batu bara terhadap pengaruh gempa, beban angin dan pengaruh temperatur dari tungku pembakaran batu bara terhadap desain struktur baja yang menopangnya. Dimana penulis akan memakai bantuan program SAP 2000 v.11 untuk penginputan pengaruh gempa, beban angin dan temperatur pada desain struktur baja ini. Dari analisa ini akan menghasilkan kesimpulan yang dapat membantu pengguna bukan dalam hal mendesain saja tetapi juga untuk menuntun pengguna untuk mendapatkan gambaran mengenai gaya-gaya yang terjadi pada menara tungku pembakaran batu bara. 4. Pembatasan Masalah ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ∑
Struktur bangunan yang dianalisis merupakan portal baja dengan profil WF dimana rangka struktur bangunan menopang tungku pembakaran batu bara Beban luar yang ditinjau terhadap struktur bangunan hanya beban gempa dan beban angin Pengaruh temperatur dihitung dari suhu tungku pembakaran batu bara terhadap profil WF yang menopangnya Berat tungku pembakaran batu bara dianggap sebagai beban terbagi rata pada balok penahan tungku pembakaran yang terletak diatas rangka struktur profil WF Teori dan peraturan pengaruh pembebanan yang digunakan mengacu pada SNI 03-1729-2002 Perhitungan pengaruh gempa, angin dan temperatur terhadap struktur bangunan menggunakan program SAP 2000 v.11
2
5. Metode Penelitian Penelitian ini menggunakan metode analisis perencanaan yang difokuskan untuk mengetahui perbandingan perilaku kekuatan dan stabilitas antara desain dimensi struktur baja menara tungku pembakaran (furnace) batu bara dengan pengaruh berat sendiri struktur dan berat dua buah tungku pembakaran yang ditopang struktur baja terhadap keadaan desain struktur baja menara tersebut setelah ditambahkan pengaruh gempa, beban angin dan pengaruh temperatur dari tungku pembakaran batu bara terhadap struktur baja. Analisis perancangan yang digunakan pada penelitian ini didasarkan pada Tata Cara Perencanaan Struktur Baja untuk Bangunan Gedung menurut SNI 03-1729-2002 dan Tata Cara Perencanaan Ketahanan Gempa Untuk Struktur Gedung menurut SNI 03-1726-2012. Metode yang digunakan dalam penelitian ini dibagi dalam tiga tahap yaitu desain beban struktur, analisis dan output. Yang termasuk dalam tahap desain beban struktur antara lain penentuan jenis beban untuk desain struktur tiga dimensi berdasarkan peraturan. Sedangkan tahap analisis antara lain analisis struktur tiga dimensi dengan memasukan analisis beban sendiri struktur, beban tungku, pengaruh gempa, beban angin, dan temperatur pada SAP 2000 untuk mengetahui kekuatan dan stabilitas struktur pada desain. Tahap yang terakhir yaitu tahap output yang didalamnya menunjukkan besarnya nilai simpangan terbesar pada struktur dengan kondisi pembebanan yang berbeda. 6. Analisis 6.1. Permodelan Struktur Struktur bangunan berupa struktur baja 3 dimensi portal sederhana yang berfungsi sebagai penopang tungku pembakaran batu bara. Struktur bangunan merupakan menara 7 lantai dengan jarak tiap lantai sekitar 2 – 3 m, bangunan terletak di area Medan dengan fungsi bangunan untuk perindustrian. Bangunan berada di atas tanah sedang. Ukuran bangunan arah x dan y adalah 6,92m dan 8,32 m. Adapun gambar permodelan dapat dilihat pada gambar berikut.
Gambar 6.1 Gambar Portal Arah X
Gambar 6.2 Gambar Portal Arah Y
3
No 1 2 3 4 5 6 7 8
Lantai Pondasi Lantai 1 Lantai 2 Lantai 3 Lantai 4 Lantai 5 Lantai 6 Atap
Tinggi Bangunan 0m 3,30 m 6,40 m 9,30 m 11,40 m 13,50 m 16,15 m 18,15 m
Tabel 6.1 Konfigurasi Gedung Gambar 6.3 Gambar Portal pada Elevasi +3,30m Mutu Profil Baja Mutu material digunakan untuk struktur bangunan ini diasumsikan : Berat jenis baja ∑ γs = 78.5 kN /m2 Mutu Baja (BJ41), ∑ Tegangan leleh (fy)= 250 Mpa ∑ Tegangan ultimate (fu)= 410 MPa Modulus elastisitas baja ∑ Es = 200000 Mpa 6.2. Pembebanan Pada Struktur ∑
∑
Berat sendiri adalah beban mati yang diperoleh dari material. Dalam studi ini material yang digunakan adalah baja dengan berat jenis 78,5 kN/m2 Beban mati pada atap berupa beban tungku pembakaran batu bara dengan berat 2200 ton = 22000 kN yang dianggap sebagai beban terbagi rata pada balok – balok atap struktur baja 3D. Beban hidup pada struktur dianggap sangat kecil sehingga tidak diperhitungkan karena beban hidup hanya bekerja saat maintenence struktur bangunan. Beban Angin = 25 kg/m2 (t = 0 – 10 m) ; 35 kg/m2 (t = 10,1 – 20 m)
∑ ∑
Beban Gempa dengan data nilai Ss = 0,5 S1 = 0,3 dan koefisien situs : FA = 1,4 dan Fv = 1,8 Beban temperatur dari tungku pembakaran sebesar 300 0C
∑ ∑
6.3. Perhitungan Dengan Program SAP 2000 Adapun load combinations yang dipakai pada penelitian ini ada 14 kombinasi, yaitu: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
1,4 D 0,9 D + 1,6 WX 0,9 D – 1,6 WX 0,9 D + 1,6 WY 0,9 D – 1,6 WY 1,0 EX + 0,3 EY + 1,2 D 0,3 EX + 1,0 EY + 1,2 D 1,4 D + 1,2 T 0,9 D + 1,6 WX+ 1,2 T 0,9 D - 1,6 WX + 1,2 T
11. 12. 13. 14.
0,9 D + 1,6 WY + 1,2 T 0,9 D - 1,6 WY + 1,2 T 1,0 EX + 0,3 EY + 1,2 D + 1.2 T 0,3 EX + 1,0 EY + 1,2 D + 1.2 T
4
6.3.1. Aplikasi Beban-Beban Pada Portal Dalam Program SAP 2000
Gambar 6.4 Hasil Permodelan 3D Struktur Bangunan Pada SAP2000
Gambar 6.5 Aplikasi Beban Tungku Pada Struktur
Gambar 6.6 Aplikasi Beban Angin Pada Struktur
5
Gambar 6.7 Aplikasi Respon Spektrum Pada Struktur
Gambar 6.8 Aplikasi Temperatur Pada Struktur
6.3.2. Hasil Analisis Gaya-Gaya Dalam dan Deformasi ∑
Gaya Dalam dan Deformasi Struktur Akibat Kombinasi Beban Angin Hasil analisis yang diperoleh dari program SAP 2000 adalah gaya – gaya dalam dan deformasi struktur dengan beberapa kombinasi beban. Kombinasi beban yang dimaksudkan adalah sesuai SNI 031729-2002 (Tata Cara Perencanaan Struktur Baja untuk Bangunan Gedung) diambil kombinasi beban yang terbesar. Tabel 6.2 menunjukkan gaya – gaya dalam dan deformasi struktur maksimum akibat kombinasi beban angin.
∑
Gaya Dalam dan Deformasi Struktur akibat Kombinasi Beban Gempa Hasil analisis menyatakan bahwa analisis gempa yang bekerja sesuai dengan ketentuan SNI 03-17262012 yaitu untuk pengaruh pembebanan gempa arah utama adalah 100% sedangkan pengaruh pembebanan gempa dalam arah tegak lurus arah utama dianggap 30%, sehingga dari analisis dihasilkan dua simpangan horisontal yaitu dengan gempa arah utama x dan gempa arah utama y. Tabel 6.3 menunjukkan gaya – gaya dalam dan deformasi struktur maksimum akibat beban gempa.
∑
Gaya Dalam dan Deformasi Struktur Akibat Kombinasi Beban Saat Pengaplikasian Suhu Tungku pada Struktur Bangunan Hasil analisis yang diperoleh dari program SAP 2000 adalah gaya – gaya dalam dan deformasi struktur dengan beberapa kombinasi beban. Kombinasi beban yang dimaksudkan adalah sesuai SNI 031729-2002 (Tata Cara Perencanaan Struktur Baja untuk Bangunan Gedung) diambil kombinasi beban yang terbesar dan pengaplikasian suhu pada struktur bangunan baja. Tabel 6.2 – 6.3 menunjukkan gaya – gaya dalam dan deformasi struktur maksimum akibat kombinasi beban tersebut.
6
Gaya- Gaya Dalam Dan Deformasi Kombinasi Beban
Balok
Kolom
Portal Tanpa Aplikasi Temperatur
Portal Dengan Aplikasi Temperatur
Momen
682,5596 KNm
682,5596 KNm
Lintang
936,633 KN
936,633 KN
Normal
1,089 KN
245,207 KN
Momen
2,1682 KNm
398,5392 KNm
Lintang
1,191 KN
121,303 KN
Normal
1771,132 KN
1771,132 KN
0,00741 m
0,0612 m
Deformasi
Tabel 6.2 Gaya – Gaya Dalam dan Deformasi Terbesar Akibat Kombinasi Beban Angin
Gaya- Gaya Dalam Dan Deformasi Kombinasi Beban
Balok
Kolom
Deformasi
Portal Tanpa Aplikasi Temperatur
Portal Dengan Aplikasi Temperatur
Momen
910,0795 KNm
910,0795 KNm
Lintang
1248,844 KN
1248,844 KN
Normal
1,106 KN
243,297 KN
Momen
0,0013 KNm
396,3717 KNm
Lintang
0,00034 KN
120,113 KN
Normal
2361,510 KN
2361,510 KN
0,0099 m
0,0624 m
Tabel 6.3 Gaya – Gaya Dalam dan Deformasi Terbesar Akibat Kombinasi Beban Gempa 7. Kesimpulan Dan Saran 7.1. Kesimpulan ∑ ∑ ∑ ∑ ∑
Nilai gaya momen terbesar pada keseluruhan portal dari semua kombinasi beban terjadi pada kombinasi beban gempa dengan aplikasi temperatur (kombinasi 13 & 14) sebesar 910,0795 KNm di frame 159 (balok atap Box 400 x 900 x 20 x20). Nilai gaya lintang terbesar pada keseluruhan portal dari semua kombinasi beban terjadi pada kombinasi beban gempa dengan aplikasi temperatur (kombinasi 13 & 14) sebesar 1248,844 KN di frame 159 (balok atap Box 400 x 900 x 20 x 20). Nilai gaya normal terbesar pada keseluruhan portal dari semua kombinasi beban terjadi pada kombinasi beban gempa dengan aplikasi temperatur (kombinasi 13 & 14) sebesar 2361,510 KN di frame 80 dan 119 (kolom WF 400 x 400 x 13 x 21). Nilai deformasi terbesar terjadi pada kombinasi beban gempa dengan aplikasi temperatur (kombinasi 13 & 14) sebesar 0,0624 m di joint 8, 24, 25, dan 27 (joint pada balok atap Box 300 x 500 x 12 x 12). Struktur rangka baja yang dianalisis dengan pengaruh kombinasi – kombinasi beban mengalami gaya momen, lintang, normal dan deformasi terbesar pada kombinasi beban gempa dengan aplikasi temperatur (kombinasi 13 & 14).
7
∑
∑
Dari hasil analisis nilai gaya –gaya dalam kedua kombinasi beban akibat beban angin dan beban gempa didapatkan hasil perbandingan yakni nilai gaya dalam akibat beban gempa lebih besar daripada nilai gaya dalam akibat beban angin pada saat aplikasi temperatur maupun tanpa aplikasi temperatur pada struktur portal. Pengaruh kombinasi aplikasi temperatur pada struktur tidak mempengaruhi peningkatan nilai gaya momen , lintang , normal yang terlalu signifikan tetapi hanya terlihat pada perubahan nilai deformasi yang mengalami peningkatan.
7.2. Saran ∑
∑ ∑
Dalam mendesain struktur bangunan gedung rangka baja sebaiknya kita melakukan analisis terhadap gempa, angin dan pengaruh lain yang pernah terjadi sebelumnya di wilayah perancangan gedung berdiri agar pendesainan gedung menjadi lebih kompleks dan aman terhadap kondisi yang mungkin terjadi. Untuk pendesainan rangka struktur baja, kondisi pengaruh aplikasi temperatur perlu diperhitungkan karena mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap struktur. Bagi penulis yang lain dapat melakukan penelitian dengan kombinasi pengaruh beban yang berbeda atau lebih tinggi untuk mendapat rancangan desain yang lebih baik.
7.3. Diskusi Pertanyaan dalam jurnal ini adalah “Apakah perbandingan hasil gaya – gaya kombinasi beban akibat pengaruh angin dan gempa tanpa aplikasi temperatur dengan kombinasi beban setelah aplikasi temperatur pada struktur bangunan 3D ?”. Dari hasil analisis menggunakan program SAP 2000, pengaruh kombinasi aplikasi temperatur pada struktur tidak mempengaruhi peningkatan gaya momen, lintang, normal yang terlalu besar. Ini dikarenakan faktor reduksi pada kombinasi- kombinasi beban akibat aplikasi temperatur dan tanpa aplikasi temperatur mempunyai besaran yang sama sehingga momen, lintang dan normal tidak mengalami peningkatan yang signifikan dan nilai-nilai gaya ini hanya mengalami peningkatan akibat penambahan faktor reduksi temperatur saat pengaplikasian temperatur pada struktur bangunan.Selain dari perubahan nilai gaya momen, lintang, normal yang terjadi pada struktur bangunan akibat aplikasi temperatur, perubahan lain yang lebih signifikan adalah peningkatan nilai deformasi pada portal. Pada temperatur yang tinggi struktur baja pasti akan mengalami pemuaian yang akan mempengaruhi nilai tegangan leleh dan modulus elastisitas dari profil baja yang dipakai. Akibat dari penurunan tegangan leleh dan modulus elastisitas dapat mempengaruhi daktilitas dari struktur baja. Hal – hal inilah yang perlu diperhatikan dari pengaplikasian temperatur pada perencanaan struktur baja.
DAFTAR PUSTAKA American Institute of Steel Construction (AISC) (2010), Specification for structural steel buildings, Chicago. Badan Standarisasi Nasional. 2002. Tata Cara Perencanaan Struktur Baja Untuk Bangunan Gedung (SNI 03-1729-2002). Jakarta. Badan Standarisasi Nasional. 2012. Tata Cara Perencanaan Ketahanan Gempa Untuk Bangunan Gedung (SNI 03-1726-2012). Jakarta. Dewobroto, Wiryanto. 2008. Aplikasi Rekayasa Konstruksi dengan SAP2000 Edisi Baru, PT. Elex Media Komputindo, Jakarta. Direktorat Penyelidikan Masalah Bangunan. 1983. Peraturan Pembebanan Indonesia untuk Gedung (1983). Bandung. Miamis, Konstantinos. 2007. A Study of the Effects of High Temperature on Structural Steel Framing. Purdue University. Narang, Vikas Adarsh. 2005. Heat Transfer Analysis in Steel Structures. Worcester Polytechnic Institute. P.Jayachandran. Design of Tall Buildings Preliminary Design and Optimization. Worcester Polytechnic Institute, Worcester, Massachussets, 01609, USA P. Mendis, T. Ngo, N. Haritos, A. Hira , dkk. 2007. Wind Loading on Tall Buildings. The University of Melbourne, Australia.
8
