PEMODELAN STRUKTUR RANGKA BAJA DENGAN BALOK BERLUBANG

PEMODELAN STRUKTUR RANGKA BAJA DENGAN BALOK BERLUBANG

TUGAS AKHIR

Oleh : Komang Haria Satriawan NIM : 1104105053

JURUSAN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA 2015

NPERNYATAAN

Yang bertanda tangan dibawah ini, saya: Nama : Komang Haria Satriawan NIM : 1104105053 Judul TA : Pemodelan Struktur Rangka Baja dengan Balok Berlubang Dengan ini saya nyatakan bahwa dalam Laporan Tugas Akhir/Skripsi saya ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya, juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Denpasar, 22 Agustus 2015

Komang Haria Satriawan NIM. 1104105053

i

KEMENTRIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN UNIVERSITAS UDAYANA FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK SIPIL Kampus Bukit Jimbaran, Telp. (0361) 703385 http://sipil.unud.ac.id email: [email protected]

1

LEMBAR PENGESAHAN LAPORAN TUGAS AKHIR

Tugas akhir ini telah diujikan dan dinyatakan lulus, sudah direvisi serta telah mendapat persetujuan pembimbing sebagai salah satu persyaratan untuk menyelesaikan Program S-1 pada Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Universitas Udayana. Judul Tugas Akhir Nama NIM Jurusan Diuji Tanggal

: Pemodelan Struktur Rangka Baja dengan Balok Berlubang : Komang Haria Satriawan : 1104105053 : Teknik Sipil : 30 Juli 2015 Denpasar,

Agustus 2015

Menyetujui: Pembimbing I

Pembimbing II

Ir. Made Sukrawa, MSCE., Ph.D NIP. 19620223 198702 1 002

Ir. Putu Deskarta, MASc. NIP. 196110251988031001

Mengetahui: Ketua Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Udayana

( Prof. Ir. I Nyoman Arya Thanaya, ME., Ph.D ) NIP. 19601108 198803 1 002

ii

ABSTRAK Pemodelan struktur rangka baja dengan balok berlubang telah dilakukan dengan membuat model makro dan mikro. Pada model makro gedung 3 lantai dimodel sebagai portal 3D dan balok berlubang dimodel sebagai balok nonprismatis dengan elemen frame. Pada model mikro balok berlubang dimodel sebagai pelat 3D dengan 2 tumpuan, sayap dan badan balok dimodel dengan elemen shell dan lubang pada balok dimodel apa adanya. Balok dibebani dengan beban vertikal dan beban gempa yang ekuivalen dengan model makro. Model balok dengan dan tanpa lubang pada model makro dan mikro dianalisis dan dibandingkan prilakunya. Hasil analisis menunjukkan bahwa adanya lubang pada balok induk dengan balok anak menyebabkan peningkatan lendutan pada model makro dan mikro masing-masing sebesar 0,88 % dan 10,10 %. Adanya lubang pada balok induk tanpa balok anak menyebabkan peningkatan lendutan pada model makro dan mikro masing-masing sebesar 1,21 % dan 2,36 %. Adanya lubang pada model mikro menyebabkan peningkatan tegangan normal dan geser masing-masing sebesar 964,358 % dan 179,186 % pada balok induk dengan balok anak, serta 165,354 % dan 307,104 % pada balok induk tanpa balok anak. Adanya balok anak di sekitar lubang menyebabkan peningkatan lendutan pada model makro dan mikro masing-masing sebesar 9,48 % dan 195,61 %. Adanya balok anak di sekitar lubang juga meningkatkan tegangan normal dan geser masingmasing sebesar 680,56 % dan 701,21 % pada model mikro.

Kata kunci: pemodelan balok berlubang, struktur baja, lendutan balok berlubang, tegangan pada balok berlubang.

iii

UCAPAN TERIMA KASIH Puji syukur penulis panjatkan kehadapan Ida Sang Hyang Widhi Wasa berkat tuntunan-Nyalah, Tugas Akhir dengan judul “Pemodelan Struktur Rangka Baja dengan Balok Berlubang” ini dapat diselesaikan. Terwujudnya Tugas Akhir ini tidak terlepas dari bantuan, bimbingan, saran, dan motivasi dari dosen pembimbing. Untuk itu pada kesempatan ini, penulis menyampaikan banyak terima kasih kepada Ir. Made Sukrawa,MSCE, Ph D dan Ir. Putu Deskarta, MASc selaku dosen pembimbing.

Denpasar, 22 Agustus 2015

Penulis

iv

DAFTAR ISI

PERNYATAAN ...................................................................................................... i LEMBAR PENGESAHAN LAPORAN TUGAS AKHIR .............................. ii ABSTRAK ............................................................................................................ iii UCAPAN TERIMA KASIH ............................................................................... iv DAFTAR ISI .......................................................................................................... v DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... vii DAFTAR TABEL ................................................................................................. x DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................ xi DAFTAR NOTASI .............................................................................................. xii BAB I PENDAHULUAN ...................................................................................... 1 1.1 Latar Belakang ............................................................................................... 1 1.2 Rumusan Masalah .......................................................................................... 2 1.3 Tujuan ............................................................................................................ 2 1.4 Manfaat .......................................................................................................... 2 1.5 Batasan Masalah ............................................................................................ 2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA........................................................................... 3 2.1 Komputer Sebagai Alat Rekayasa Struktur ................................................... 3 2.2 Prinsip Dasar Pemodelan Struktur ................................................................. 4 2.3 SAP2000 ........................................................................................................ 4 2.4 Model Makro ................................................................................................. 6 2.5 Model Mikro .................................................................................................. 7 2.6 Tegangan Lentur dan Tegangan Geser ........................................................ 22 2.7 Penelitian Balok Berlubang ......................................................................... 25 2.7.1 Bedi (2011) ...................................................................................... 25 2.7.2 Sharda (2011) ................................................................................... 25 2.7.3 Sagade (2012) .................................................................................. 26 2.8 Material Baja ............................................................................................... 26 2.9 Pembebanan ................................................................................................. 28 2.10 Tata Cara Perencanaan Menurut SNI 03-1729-2002................................... 30 2.10.1 Perencanaan Komponen Lentur ...................................................... 30 2.10.2 Perencanaan Komponen Tarik ........................................................ 35 2.10.3 Perencanaan Komponen Tekan ....................................................... 36 2.10.4 Perencanaan Komponen Kombinasi Lentur dan Aksial ................. 39 2.11 Sambungan Balok Kolom SRPMK ............................................................. 39 2.11.1 Momen Lentur Perlu pada Sambungan ........................................... 40 2.11.2 Kekuatan Baut ................................................................................. 41 BAB III METODE PENELITIAN .................................................................... 43 3.1 Alur Pemodelan ........................................................................................... 43 3.2 Data Struktur................................................................................................ 46 3.3 Pembebanan Model Makro .......................................................................... 46 3.4 Kombinasi Beban Model Makro ................................................................. 51 3.5 Pembebanan Model Mikro .......................................................................... 52 3.6 Perencanaan Lubang .................................................................................... 56 3.7 Perhitungan Stiffness Factor ........................................................................ 58 3.8 Perletakan .................................................................................................... 59 v

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................ 61 4.1 Umum .......................................................................................................... 61 4.2 Dimensi dan Rasio Tegangan Model Makro Balok tanpa Lubang.............. 61 4.3 Dimensi dan Rasio Tegangan Model Makro Balok Berlubang ................... 67 4.4 Tegangan Geser dan Normal Balok Berlubang pada Model Mikro Akibat Beban Vertikal (1,2D + 1,6L) ...................................................................... 73 4.5 Kontrol Tegangan Geser Pada Badan Berlubang Akibat Kombinasi Beban Gempa (1,2D + L + E) ................................................................................. 84 4.6 Lendutan dan Tegangan Balok Berlubang Dan Tidak Berlubang ............... 86 4.7 Tegangan pada Balok dengan Variasi Bentuk Lubang................................ 90 BAB V PENUTUP ............................................................................................... 98 5.1 Kesimpulan .................................................................................................. 98 5.2 Saran ............................................................................................................ 99 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................ 100 LAMPIRAN A ................................................................................................... 102 LAMPIRAN B ................................................................................................... 107 LAMPIRAN C ................................................................................................... 111

vi

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Sistem koordinat SAP2000 ................................................................ 6 Gambar 2.2 Elemen shell quadrilateral ................................................................. 7 Gambar 2.3 Elemen shell tringular........................................................................ 8 Gambar 2.4 Mesh area di sekitar lubang................................................................ 8 Gambar 2.5 Pemodelan IWF berlubang pada CSi contoh kasus S ........................ 9 Gambar 2.6 Memodel sayap IWF ........................................................................ 11 Gambar 2.7 Jendela devide area........................................................................... 12 Gambar 2.8 Mesh sayap IWF............................................................................... 13 Gambar 2.9 Jendela devide select area 2 ............................................................. 14 Gambar 2.10 Tegangan pada shell ....................................................................... 21 Gambar 2.11 Geometri persamaan tegangan lentur ............................................. 22 Gambar 2.12 Distribusi tegangan lentur .............................................................. 23 Gambar 2.13 Geometri persamaan tegangan geser .............................................. 24 Gambar 2.14 Distribusi tegangan geser ............................................................... 25 Gambar 2.15 Diagram tegangan dan regangan baja sumber : Johnson.1990 ...... 28 Gambar 2.16 Nilai Kc untuk kolom dengan ujung-ujung yang ideal .................. 37 Gambar 2.17 Nilai Kc untuk komponen struktur tak bergoyang (a), dan untuk komponen struktur bergoyang (b). ........................................................................ 38 Gambar 2.18 Sambungan momen dengan plat ujung diperluas ........................... 40 Gambar 2.19 Lokasi sendi plastis ........................................................................ 41 Gambar 2.20 Gaya pada baut dengan plat ujung tebal......................................... 42 Gambar 3.1 Diagram alir pemodelan ................................................................... 44 Gambar 3.2 Koefisien beban angin pada gedung tertutup ................................... 48 Gambar 3.3 Jendela define load pattern ............................................................... 50 Gambar 3.4 Jendela IBC 2009 Seismic Load Pattern .......................................... 50 Gambar 3.5 Jendela define mass source .............................................................. 51 Gambar 3.6 Pendekatan pembebanan model mikro ............................................. 53 Gambar 3.7 Dimensi amplop lantai ..................................................................... 54 Gambar 3.8 Pembebanan model mikro ................................................................ 55 Gambar 3.9 Denah lubang pada balok ................................................................. 56 Gambar 3.10 Rencana pipa .................................................................................. 56 Gambar 3.11 Desain lubang pada balok induk tanpa balok anak ........................ 57 Gambar 3.12 Desain lubang pada balok induk dengan balok anak ..................... 58 Gambar 3.13 Penampang balok IWF berlubang .................................................. 58 Gambar 3.14 Geometri sambungan baut balok dan kolom .................................. 60 Gambar 3.15 Perletakan pada model mikro ......................................................... 60 Gambar 4.1 Desain struktur rangka baja portal 3 ................................................ 62 Gambar 4.2 Rasio tegangan elemen setruktur portal 3 ........................................ 64 Gambar 4.3 Rasio tegangan portal 3 tanpa memperhitungkan syarat sambungan balok dan kolom .................................................................................................... 64 Gambar 4.4 Rasio tegangan elemen struktur lantai 2 .......................................... 65 Gambar 4.5 Rasio tegangan elemen struktur lantai 3 setruktur rangka baja balok tanpa lubang .......................................................................................................... 66 Gambar 4.6 Rasio tegangan elemen struktur atap setruktur rangka baja balok tanpa lubang .......................................................................................................... 67 Gambar 4.7 Penampang IWF berlubang .............................................................. 68 vii

Gambar 4.8 Frame property/stiffness modification factor .................................. 69 Gambar 4.9 Rasio tegangan elemen struktur portal 3 .......................................... 70 Gambar 4.10 Rasio tegangan elemen struktur lantai 2 ......................................... 71 Gambar 4.11 Rasio tegangan elemen struktur lantai 3 ......................................... 72 Gambar 4.12 Rasio tegangan elemen struktur atap .............................................. 73 Gambar 4.13 Kontur tegangan geser pada balok induk berlubang tanpa balok anak (a) dan pada balok berlubang dengan balok anak (b) ................................... 74 Gambar 4.14 Kontur tegangan normal pada balok induk berlubang tanpa balok anak (a) dan pada balok berlubang dengan balok anak (b) ................................... 74 Gambar 4.15 Kontur tegangan geser pada badan balok induk berlubang tanpa balok anak ............................................................................................................. 75 Gambar 4.16 Detail A ........................................................................................... 76 Gambar 4.17 Detail B .......................................................................................... 77 Gambar 4.18 Kontur tegangan geser pada sayap atas dan bawah balok induk berlubang tanpa balok anak ................................................................................... 77 Gambar 4.19 Kontur tegangan normal pada badan balok berlubang tanpa balok anak ....................................................................................................................... 78 Gambar 4.20 Detail A’ ......................................................................................... 78 Gambar 4.21 Detail B’ ......................................................................................... 79 Gambar 4.22 Kontur tegangan normal pada sayap atas dan bawah balok induk berlubang tanpa balok anak ................................................................................... 79 Gambar 4.23 Kontur tegangan geser pada badan balok induk berlubang dengan balok anak ............................................................................................................. 80 Gambar 4.24 Kontur tegangan geser pada sayap atas dan bawah balok berlubang dengan balok anak ................................................................................................. 81 Gambar 4.25 Kontur tegangan normal pada badan balok induk berlubang dengan balok anak ............................................................................................................. 81 Gambar 4.26 Detail D ........................................................................................... 82 Gambar 4.27 Tegangan normal pada daerah lubang dengan modifikasi sudut .... 83 Gambar 4.28 Kontur tegangan normal pada sayap atas dan bawah balok berlubang tanpa balok anak .................................................................................................... 83 Gambar 4.29 Diagram gaya geser akibat gempa y pada portal 2.......................... 84 Gambar 4.30 Diagram gaya geser akibat gempa y pada portal 2 detail 1 (kN) ... 85 Gambar 4.31 Tegangan geser pada badan akibat kombinasi beban..................... 85 Gambar 4.32 Denah balok yang lendutannya diamati .......................................... 86 Gambar 4.33 Balok pada portal C yang lendutanya diamati ................................ 87 Gambar 4.34 Balok pada portal 2 yang lendutanya diamati ................................. 87 Gambar 4.35 Posisi Tegangan yang Diamati pada Balok Tidak Berlubang (a) dan Berlubang (b) pada Balok Berlubang dengan Balok Anak ................................... 88 Gambar 4.36 Tegangan Normal pada Tengah Bentang Balok Tidak Berlubang (a) dan Balok Berlubang (b) ....................................................................................... 89 Gambar 4.37 Kontur tegangan geser pada balok iwf dengan variasi lubang ....... 90 Gambar 4.38 Kontur tegangan normal pada balok IWF dengan variasi lubang .. 91 Gambar 4.39 Kontur tegangan geser pada daerah lubang persegi panjang .......... 91 Gambar 4.40 Kontur tegangan geser pada daerah lubang persegi ........................ 92 Gambar 4.41 Kontur tegangan geser pada daerah lubang segi 6 beraturan ......... 92 Gambar 4.42 Kontur tegangan geser pada daerah lubang segi 8 beraturan ......... 92 Gambar 4.43 Kontur tegangan geser pada daerah lubang segi 12 beraturan ....... 93

viii

Gambar 4.44 Gambar 4.45 Gambar 4.46 Gambar 4.47 Gambar 4.48 Gambar 4.49

Kontur tegangan normal pada daerah lubang persegi panjang ...... 93 Kontur tegangan normal pada daerah lubang persegi .................... 94 Kontur tegangan normal pada daerah lubang segi 6 beraturan ...... 94 Kontur tegangan normal pada daerah lubang segi 8 beraturan ...... 95 Kontur tegangan normal pada daerah lubang segi 12 beraturan ... 95 Ilustrasi deformasi balok dengan lubang persegi panjang ............ 97

ix

DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Dimen struktur kolom dan balok tanpa lubang .................................... 62 Tabel 4.2 Selisih lendutan balok tidak berlubang dengan berlubang.................... 88 Tabel 4.3 Selisih Tegangan pada Balok Berlubang dengan Tidak Berlubang ...... 89 Tabel 4.4 Tegangan maksimum pada tepi lubang balok IWF ............................. 96

x

DAFTAR LAMPIRAN LAMPIRAN A Pembebanan Gempa .................................................................. 103 LAMPIRAN B Gambar Struktur Perpustakaan Puspem Badung ...................... 108 LAMPIRAN C Perencanaan Sambungan Balok Kolom .................................... 112

xi

DAFTAR NOTASI Ag bf Cd Cm Cs Cvx C0 C1 C2 C3 d E Eh Fx fu fy fcr G g hn Ie M Mp Mnx Mny Mux Muy M2 M3 Nn Nu P R R Ry Sa

: Luas penampang kotor : Lebar pelat sayap, mm : Deflection amplification : faktor massa efektif yang diambil dari tabel 3.1 dari FEMA 356 : Koefisien respons seismik yang ditentukan sesuai dengan SNI 17262012 pasal 7.8.1.1 : Faktor distribusi vertikal : Koefisien faktor bentuk, untuk merubah perpindahan spectral menjadi perpindahan atap, umumnya memakai faktor partisipasi ragam yang pertama (first mode participation factor) : Faktor modifikasi yang menghubungkan perpindahan inelastic maksimum dengan perpindahan yang dihitung dari respon elastik linier : koefisien untuk memperhitungkan efek “pinching” dari hubungan beban deformasi akibat degradasi kekakuan dan kekuatan, berdasarkan tabel 3-3 dari FEMA 356 : Koefisien untuk memperhitungkan pembesaran lateral akibat adanya efek P delta : Tinggi penampang baja : Modulus elastisitas : Pengaruh dari komponen horizontal gaya gempa : Gaya gempa lateral : Tegangan putus baja : Tegangan leleh baja, MPa : Tegangan kritis, MPa : Modulus geser : Percepatan gravitasi 9,81 m/det2 : Ketinggian struktur diatas dasar sampai tingkat tertinggi struktur : Faktor keutamaan hunian yang ditentukan sesuai dengan SNI 1726-2012 pasal 4.1.2 : Momen : Momen plastis : Momen nominal arah sumbu x : Momen nominal arah sumbu y : Momen ultimit arah sumbu x : Momen ultimit arah sumbu y : Momen arah sumbu 2 : Momen arah sumbu 3 : Gaya aksial nominal : Gaya aksial ultimit : Gaya aksial : Rasio “kuat elastik perlu” terhadap “koefisien kuat leleh terhitung” : Faktor reduksi gempa struktur gedung : Faktor modifikasi tegangan leleh : Akselerasi respons spektrum yang berkesesuaian dengan waktu getar alami efektif pada arah yang ditinjau xii

SDS SD1 S1 T Ta Te Ts tw tbf V Vn Vp VT V1 W Zx α δ δt θ Ω0 v

: Parameter percepatan spektrum respons desain dalam rentang perioda pendek seperti ditentukan pada SNI 1726-2012 pasal 6.3 atau 6.9 : Parameter percepatan spektrum respons desain pada perioda sebesar 1,0 detik, seperti ditentukan pada SNI 1726-2012 pasal 6.10.4 : Parameter percepatan spektrum respons maksimum yang dipetakan yang ditentukan sesuai dengan SNI 1726-2012 pasal 6.10.4 : Perioda struktur dasar (detik) yang ditentukan pada SNI 1726-2012 pasal 7.8.2 : Periode fundamental pendekatan : Waktu getar alami efektif yang memperhitungkan kondisi inelastik : Waktu getar karakteristik yang diperoleh dari kurva respons spektrum pada titik dimana terdapat transisi bagian akselerasi konstan ke bagian kecepatan konstan : Tebal pelat badan, mm : Tebal pelat sayap, mm : Gaya geser dasar : Kuat geser nominal link : Gaya geser penampang plastis : Gaya geser dasar nominal yang didapat dari hasil analisis ragam spektrum respons yang telah dilakukan : Gaya geser dasar nominal sebagai respon dinamik ragam yang pertama : Total beban mati dan beban hidup yang dapat tereduksi : Modulus plastis penampang : Rasio kekakuan pasca leleh terhadap kekakuan elastic efektif, di mana gaya pepindahan diidealisasikan sebagai kurva bilinier : Perpindahan (simpangan) : Target perpindahan : Sudut rotasi : Faktor reduksi kekuatan untuk komponen struktur lentur : Faktor reduksi kekuatan untuk komponen struktur tekan : Faktor kuat cadangan struktur : Massa jenis baja : Rasio poisson : Faktor pengali simpangan nominal

xiii