Martikulasi MTS (Str Baja) 19082014

STRUKTUR BAJA

Dr. Ir. Mochammad Afifuddin, M.EngJurusan Teknik Sipil Universitas Syiah Kuala

Struktur Baja

• Didasarkan atas sifat material baja yang dapat menahantegangan tarik maupun tekan

• Kekuatan dan daktilitas material baja relatif tinggi

• Struktur ringan sehingga menguntungkan untuk strukturjembatan bentang panjang, bangunan tinggi, ataupunstruktur cangkang

• Waktu pengerjaan relatif singkat (tidak memerlukan set-up time)

• Disain meliputi disain elemen dan sambungan

• Kelangsingan elemen harus diperhitungkan untukmenghindari hilangnya kekuatan akibat tekuk

Struktur Baja

• Terbagi atas 3 kategori:

– Struktur rangka, dengan elemen-elementarik, tekan, dan lentur

– Struktur cangkang (elemen tarik dominan)

– Struktur tipe suspensi (elemen tarikdominan)

• Perencanaan dengan LRFD (Load and Resistance Factor Design)

Suspension

Cantilever

Skyscraper

Pipeline

Sistem StrukturStruktur Baja Bangunan Industri

Bentang < 20 m -> tanpa haunch

Bentang > 20 m -> dengan haunch

Bentang 40 - 70 m

Bentang > 70 m

Rangka Batang Ruang

Sistem StrukturSistem Bracing Bangunan Industri

Panjang sampai (60-80) m

Panjang melebihi (60-80) m

Perencanaan Berdasarkan LRFD (Load and Resistance Factor Design)

• Perencanaan berdasarkan kondisi-kondisi batas

– Kekuatan (keselamatan): kekuatan, stabilitas, fatique, fracture, overturning, sliding

– Kenyamanan: lendutan, getaran, retak

• Memperhitungkan dan memisahkan probabilitasoverload dan understrength secara explisit

• Perhitungan:

iin QR

Rn = Kekuatan nominal

Q = Beban nominal

f = Faktor reduksi kekuatan

= Faktor beban

Perencanaan Berdasarkan LRFD (Baja)

Faktor Keamanan

• Faktor Beban: tergantung jenis dan kombinasiQ = 1.4 DQ = 1.2 D + 1.6 LQ = 1.2 D + 1.3 WQ = 1.2 D + 1.0 EQ = 0.9 D + 1.3 WQ = 0.9 D + 1.0 E

• Faktor Ketahanan: tergantung jenis elemen dankondisi batas– Gaya aksial tarik ft = 0.9– Gaya aksial tekan fc = 0.85– Lentur fc = 0.9– Geser balok fv = 0.9

Sifat Material Baja

• Tipikal Kurva Tegangan vs Regangan Baja

Kurva Tegangan vs Regangan Baja

Penampang Elemen TarikStruktur Baja

Penampang Elemen TekanStruktur Baja

Penampang Elemen LenturStruktur Baja

Perencanaan Batang Tarik

Perencanaan Batang Tarik

• Penggunaan baja struktur yang paling efisien adalahsebagai batang tarik, dimana seluruh kekuatan batangdapat dimobilisasikan secara optimal hingga mencapaikeruntuhan

• Batang tarik adalah komponen struktur yang memikul/ mentransfer gaya tarik antara dua titik padastruktur

• Suatu elemen direncanakan hanya memikul gaya tarikjika:

– Kekakuan lenturnya dapat diabaikan, seperti pada kabel ataurod

– Kondisi sambungan dan pembebanan hanya menimbulkangaya aksial pada elemen, seperti pada elemen rangka batang

Kuat Tarik Rencana

Nu < Nn

Nu : Gaya aksial tarik terfaktor

Nn : Kuat tarik rencana

a. Kondisi Leleh sepanjang batang:

Nn = 0.90 Ag fy

b. Kondisi Fraktur pada daerah sambungan:

Nn = 0.75 Ae fu

dimana :

Ag = luas penampang kotor

Ae = luas efektif penampang

fy = tegangan leleh

fu = kekuatan (batas) tarik

Koefisien reduksi :

0.90 untuk kondisi batas leleh

0.75 untuk kondisi batas fraktur

Kondisi fraktur lebih getas/berbahaya dan harus lebih dihindari

Kondisi fraktur lebih getas/berbahaya dan harus lebih dihindari

Luas Kotor dan Luas Efektif

• Penggunaan luas Ag pada kondisi batas leleh dapat digunakanmengingat kelelehan plat pada daerah berlubang akan diikutioleh redistribusi tegangan di sekitarnya selama bahan masihcukup daktail (mampu berdeformasi plastis cukup besar) sampaifraktur terjadi.

• Kondisi pasca leleh hanya diijinkan terjadi pada daerahkecil/pendek disekitar sambungan, karena kelelehan padaseluruh batang akan menimbulkan perpindahan relatif antarakedua ujung batang secara berlebihan dan elemen tidak mampulagi berfungsi.

• Batas Leleh: Pada sebagian besar batang, diperhitungkansebagai penampang utuh => Ag

• Batas Fraktur: Pada daerah pendek disekitar perlemahan, diperhitungkan penampang yang efektif => Ae

Penampang Efektif, Ae

Pada daerah sambungan terjadi perlemahan:

Shear lag => luas harus direduksi dengan koefisien U

Pelubangan => pengurangan luas sehingga yang

dipakai pada daerah ini adalah luas bersih An

Ae = An U

Shear Lag

Tegangan tarik yang tidak merata pada daerah sambungan karena

adanya perubahan letak titik tangkap gaya P pada batang tarik :

Di tengah bentang: pada berat penampang

Di daerah sambungan: pada sisi luar penampang yang bersentuhan

dengan elemen plat yang disambung.

x

P P

Koefisien Reduksi Penampangakibat Shear Lag

Bagian plat siku vertikal memikul sebagian besar beban transfer dari baut.

Setelah melewati daerah transisi, pada jarak tertentu dari lokasi lubang baut, barulah

seluruh luas penampang dapat dianggap memikul tegangan tarik secara merata.

Daerah penampang siku vertikal mungkin dapat mencapai fraktur walaupun beban

tarik P belum mencapai harga Ag.fy.

Untuk mengantisipasi hal ini, maka dalam analisis kondisi batas fraktur digunakan

luas penampang efektif, Ae :

Ae = A U

dimana :

U : koefisien reduksi

Koefisien Reduksi Penampang

U: koefisien reduksi

9.0L

x

1U

x : eksentrisitas sambungan

L : panjang sambungan dalam arah gaya,

yaitu jarak terjauh antara dua baut pada sambungan.

Harga U dibatasi sebesar 0.9.

U dapat diambil lebih besar dari 0.9 apabila dapat dibuktikan dengan

kriteria yang dapat diterima.

Luas Penampang Efektif:Ae = A x U

a) Apabila gaya tarik disalurkan hanya oleh baut :

A = An = luas penampang bersih terkecil antara potongan 1-3 dan potongan 1-2-3

U dihitung sesuai rumus diatas

1

Potongan 1-3 : - n d t AA gn

2 u

P u P

3 Potongan 1-2-3 : u4 ts - n d t + AA

2

gn

s

dimana : Ag = luas penampang kotor t = tebal penampang

d = diameter lubang n = banyaknya lubang

s = jarak antara sumbu lubang pada sejajar sumbu komponen struktur

u = jarak antara sumbu lubang pada arah tegak lurus sumbu

Dalam suatu potongan jumlah luas lubang tidak boleh melebihi 15% luas penampang utuh.


b) Apabila gaya tarik disalurkan hanya oleh las memanjang ke elemen

bukan plat, atau oleh kombinasi las memanjang dan melintang :

A = Ag

U dihitung sesuai rumus diatas

Potongan I - I

I

P P

I


A = luas penampang yang disambung las

U = 1, bila seluruh ujung penampang di las.


d) Gaya tarik disalurkan ke elemen plat oleh las memanjang

sepanjang kedua sisi bagian ujung elemen :

A = A plat

l > 2w : U = 1.0

2w > l > 1.5 w : U = 0.87

1.5w > l > w : U = 0.75

dimana :

w : lebar plat (jarak antar garis las)

l : panjang las memanjang


Selain uraian tersebut di atas , ketentuan di bawah ini dapat digunakan :

a. Penampang-I (W, M, S pada AISC manual) dengan b/h > 2/3

atau penampang T yang dipotong dari penampang I ini dan

Sambungan pada plat sayap dengan n baut > 3 per baris (arah gaya)

U = 0.90

b. Seperti butir a., tetapi untuk b/h < 2/3, termasuk penampang tersusun:

U = 0.85

c. Semua penampang dengan banyak baut = 2 per-baris (arah gaya) :

U = 0.75

Luas Penampang Efektif

Penentuan L untuk perhitungan U pada lubang baut zigzag


Penentuan L untuk perhitungan U pada sambungan las


Penentuan x untuk perhitungan U

untuk beberapa kasus sambungan

Kelangsingan Batang Tarik

Batasan kelangsingan yang dianjurkar dalam peraturan ditentukan berdasarkan

pengalaman, engineering judgment dan kondisi-kondisi praktis untuk:

a. Menghindari kesulitan handling dan meminimalkan kerusakan dalam

fabrikasi, transportasi dan tahap konstruksi

b. Menghindari kendor (sag yang berlebih) akibat berat sendiri batang

c. Menghindari getaran

Batasan kelangsingan, ditentukan sebagai berikut:

< 240 , untuk komponen utama

< 300 , untuk komponen sekunder

dimana : = L/i

L = panjang batang tarik

i = A

Imin

Untuk batang bulat, diameter dibatasi sebesar l/d < 500

Contoh: A. Kuat Tarik Rencana

Sebuah batang tarik berupa pelat (2 x 15) cm disambungkan ke pelat

berukuran (2x30) cm dengan las memanjang sepanjang 20 cm pada

kedua sisinya, seperti terlihat pada gambar. Kedua plat yang

disambung terbuat dari bahan yang sama :

fy = 2400 kg/cm2, fu = 4000 kg/cm

2.

Berapa beban rencana, Nu, yang dapat dipikul batang tarik ?

P P

30 cm 15 cm

2 cm

2 cm 20 cm

Contoh: A. Kuat Tarik Rencana

Jawab:

Karena kedua plat yang disambung terbuat dari bahan yang sama, maka beban rencana

akan ditentukan oleh kuat tarik plat yang lebih kecil luas penampangnya, yaitu plat 2x15.

Kriteria disain : Nu < Nn

Kekuatan pelat, Nn ditentukan dari kondisi batas leleh dan fraktur :

a. Plat leleh :

Nu = Nn = 0.9 fy Ag

= 0.9 (2400 kg/cm2) ( 2x15 cm

2) = 64.8 ton

b. Plat fraktur :

Nu = Nn = 0.75 fu Ae

dimana : A = Ag = 2 x 15 cm2 = 30 cm

2

l/w = 20/15 = 1.33, jadi U diambil 0.75

Ae = A U = (30 cm2) (0.75) = 22.5 cm

2

Nu = 0.75 (4000 kg/cm2) (22.5 cm2) = 67.5 ton

Dari kedua nilai kuat rencana, Nu, yang menentukan adalah nilai yang lebih kecil.

Nu < 64.8 ton.

Contoh: B. Disain Penampang

Gaya yang harus dipikul batang tarik sepanjang 10 meter, adalah :

Beban mati: Pd = 50 ton

Beban hidup: Pl = 40 ton.

Rencanakan penampang batang tarik yang terbuat dari penampang I dengan

fy = 2400 kg/cm2

fu = 4000 kg/cm2

dengan kombinasi beban:

1.4 Pd

1.2 Pd + 1.6 Pl

Jawab :

Menghitung Beban

Beban rencana terfaktor, Nu:

Nu1 = 1.4 Pd = 1.4 (50 ton) = 70 ton

Nu2 = 1.2 Pd + 1.6 Pl = 1.2 (50 ton) + 1.6 (40 ton) = 124 ton

Nu2 menentukan.


Menghitung Ag minimum :

1. Kondisi leleh: Nu < fy Ag

Ag min = 41.57

mton240009.0

ton124

2

cm

2

2. Kondisi Fraktur : Nu < fu Ae = fu An U

An >

9.0m

ton100x40075.0

ton124

2

An > 45.93 cm2


Untuk batang - I disambung pada kedua sayapnya seperti pada gambar:

h

b

U = 0.90 untuk b/h > 2/3

Berdasarkan Ag > 57.41 cm2, ambil IWF-200, tf = 12 mm

lubang baut: d = 2.5 cm

Jumlah luas lubang baut pada satu irisan tegak lurus penampang

= 4 (2.5) (1.2) = 12 cm2

Maka dari kondisi fraktur diperoleh :

Ag min = An min + jumlah luas lubang baut

= 45.93 + 12 cm2

= 57.93 cm2


Dari kedua kondisi batas di atas, diambil harga terbesar :

Ag min = 57.93 cm2

Menghitung i-min untuk syarat kelangsingan:

imin = L/240 = 1000/240 cm = 4.17 cm

Ambil : IWF 200.200.8.12

Cek : b/h = 1 > 2/3 OK

Ag = 63.53 cm2 > 57.93 cm

2 OK

iy = 5.02 cm > 4.17 OK (sedikit lebih boros)

Keruntuhan Geser Blok

Block shear rupture: kegagalan akibat terobeknya suatu blok pelat baja

pada daerah sambungan

s

s

s2 s1

Mode kegagalan ditahan oleh penampang pada batas daerah yang diarsir:

tegangan tarik pada penampang tegak lurus sumbu batang

tegangan geser pada penampang sejajar sumbu batang

Tipe Keruntuhan Geser Blok

1. Pelelehan geser – Fraktur tarik

Bila : fu Ant > 0.6 fu Ans :

t.Nn = t ( fu Ant + 0.6 fy Ags )

2. Fraktur geser – Pelelehan tarik

Bila : 0.6 fu Ans > fu Ant :

t.Nn = t ( fy Agt + 0.6 fu Ans )

dimana : Ags = Luas bruto yang mengalami pelelehan geser

Agt = Luas bruto yang mengalami pelelehan tarik

Ans = Luas bersih yang mengalami fraktur geser

Ant = Luas bersih yang mengalami fraktur tarik

Perencanaan Batang Tekan


• Kuat tekan komponen struktur yang memikulgaya tekan ditentukan:– Bahan:

• Tegangan leleh

• Tegangan sisa

• Modulus elastisitas

– Geometri:

• Penampang

• Panjang komponen

• Kondisi ujung dan penopang


• Kondisi batas:

– Tercapainya batas kekuatan

– Tercapainya batas kestabilan (kondisi tekuk)

• Kondisi tekuk/batas kestabilan yang perludiperhitungkan:

– Tekuk lokal elemen plat

– Tekuk lentur

– Tekuk torsi atau kombinasi lentur dan torsi

Kurva Kekuatan Kolom

• Hubungan antara Batas Kekuatan dan Batas Kestabilan

Batas Kekuatan (LRFD)

min

0.85

1 untuk 0,25

1

u n

c

y

n g cr g g y

c

ykc

N N

fN A f A A f

fL

i E

Kapasitas Aksial Batang Tekan:

iin QR

Rn = Kekuatan nominal

Q = Beban nominal

Faktor reduksi kekuatan

Faktor beban

Batas Kestabilan Inelastis


; 0.85

0,25 1,2

1,43

1,6 0,67

u n c

y

n g cr g

c

c

N N

fN A f A

ycn F.658.0F2

Batas Kestabilan Elastis

2

min

; 0.85

1,25 untuk 1,2

1

1,25

1

1,25

u n c

y

n g cr g

c c

ykc

g

y

Euler

n Euler

N N

fN A f A

fL

i E

Af

P

N P


Batas Kekuatan dan Kestabilan Lentur

0

50

100

150

200

250

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Kelangsingan, KL/r

Teg

an

gan

Kri

tis M

Pa

1.67 f-ijin/w fy/w 1.67 fa(ASD-AISC) fy/w(LRFD-AISC)

Panjang Tekukdan Batas Kelangsingan

• Komponen struktur dengan gaya aksial murni umumnyamerupakan komponen pada struktur segitiga (rangka-batang) atau merupakan komponen struktur dengan kedua ujung sendi. Untuk kasus-kasus ini, faktor panjang tekuk ditentukan tidakkurang dari panjang teoritisnya dari as-ke-as sambungan dengankomponen struktur lainnya.

Untuk batang-batang yang direncanakan terhadap tekan,

angka perbandingan kelangsingan dibatasi:

min

200kL

r

k cL k l l

Faktor Panjang Tekuk

• Berbagai nilai K

Tekuk Lokal

• Tekuk lokal terjadi bila tegangan pada elemen-elemen penampang

mencapai tegangan kritis pelat.

• Tegangan kritis plat tergantung dari perbandingan tebal dengan

lebar, perbandingan panjang dan tebal, kondisi tumpuan dan sifat

material.

• Perencanaan dapat disederhanakan dengan memilih perbandingan

tebal dan lebar elemen penampang yang menjamin tekuk lokal tidak

akan terjadi sebelum tekuk lentur. Hal ini diatur dalam peraturan

dengan membatasi kelangsingan elemen penampang komponen

struktur tekan:

Besarnya ditentukan dalam Tabel 7.5-1 (Tata Cara Perencanaan

Struktur Baja)

/ rb t

r

Tekuk Lentur-Torsi

• Pada umumnya kekuatan komponen struktur dengan beban

aksial tekan murni ditentukan oleh tekuk lentur. Efisiensi sedikit

berkurang apabila tekuk lokal terjadi sebelum tekuk lentur.

• Beberapa jenis penampang berdinding tipis seperti L, T, Z dan

C yang umumnya mempunyai kekakuan torsi kecil, mungkin

mengalami tekuk torsi atau kombinasi tekuk lentur-torsi

• Untuk kepraktisan perencanaan, peraturan tidak menyatakan

perlu memeriksa kondisi tekuk torsi/lentur-torsi apabila tekuk

lokal tidak terjadi kecuali untuk penampang L-ganda atau T

• Untuk komponen struktur dengan penampang L-ganda atau T

harus dibandingkan kemungkinan terjadinya tekuk lentur pada

kedua sumbu utama dengan tekuk torsi/lentur-torsi

Penampang Majemuk

Kelangsingan arah sumbu bahan x

x

x

kL

i

Kelangsingan arah sumbu bebas bahan . ky

y

y

k L

i

Kelangsingan ideal 2 2

2iy y l

m

Elemen batang harus lebih stabil dari batang majemuk

1, 2iy

l

1,2 50x

l

l

Komponen struktur yang terdiri dari beberapa elemenyang dihubungkan pada tempat-tempat tertentu, kekuatannya harus dihitung terhadap sumbu bahan dansumbu bebas bahan.

Perencanaan Balok

(Elemen Lentur)

Penampang Baja untuk Balok

Perilaku Balok Lentur

• Batas kekuatan lentur

– Kapasitas momen elastis

– Kapasitas momen plastis

• Batas kekuatan geser

Perilaku Balok Lentur - Momen

• Balok mengalami momen lentur M, yang bekerja pada sumbu z, dimana z adalah sumbu utama ( y juga sumbu utama).

• Tidak ada gaya aksial, P = 0.

• Efek geser pada deformasi balok dan kriteria leleh diabaikan.

• Penampang balok awalnya tidak mempunyai tegangan (stress-free) atau tidak ada tegangan residual.

• Penampang balok adalah homogen (E, Fy sama), yaitu seluruh penampang terbuat dari material yang sama.

• Tidak terjadi ketidakstabilan/tekuk pada balok.

x

MM

Centriod (tiik berat)

y

z

Kapasitas Balok Lenturdan Shape Factor

• Shape factor atau faktor bentuk merupakan fungsi dari bentuk penampang. Shape factor dapat dihitung sebagai berikut:

• Secara fisik, shape factor menunjukkan tingkat efisiensi penampang ditinjau dari perbandingan kapasitas maksimum atau plastis terhadap kapasitas lelehnya.

• Beberapa nilai Shape Factor:

– Penampang Persegi EmpatK = 1.5

– Penampang I K = 1.14

My

MpK

Balok Lentur -Perencanaan Geser

Vu < v Vn v = 0.90

• Vu adalah gaya geser perlu (dari beban yang bekerja)

• Vn adalah kuat geser nominal, dihitung sebagai

Vn = 0.6 fyw Aw

– Aw adalah luas penampang yang memikul geser

– fyw adalah tegangan leleh dari penampang yang memikul geser

• Untuk penampang persegi empat, Aw adalah luas total penampang,

Aw = b x h

• Untuk penampang I, Aw dianggap disumbangkan hanya oleh plat badan(web),

Aw = h x tw ; h = d – 2 tf (h adalah tinggi bersih plat badan)

• Batas kekuatan geser umumnya tidak menentukan, tetapi tetap harus dicek, terutama jika terdapat lubang atau gaya terpusat pada plat badan

SEKIAN

Any Question ???

Martikulasi MTS (Str Baja) 19082014

Documents

Transcript of Martikulasi MTS (Str Baja) 19082014