STUDI PERBANDINGAN ANTARA GABLE FRAME METODE BAJA...

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

Universitas Sumatera Utara

i

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


ii

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 Universitas Sumatera Utara (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

Universitas Sumatera Utara.

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.


iii

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


iv

DAFTAR ISI

ABSTRAK ................................................................................................ i

KATA PENGANTAR ............................................................................... ii

DAFTAR ISI ............................................................................................. iv

DAFTAR GAMBAR ................................................................................ viii

DAFTAR TABEL ..................................................................................... xii

DAFTAR NOTASI ................................................................................... 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


v

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 Cb ............................... 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


vi

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


vii

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan .............................................................................. 158

5.2 Saran ........................................................................................ 158

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................ 159


viii

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 zg 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 Fcr 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


ix

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 Cb ................................. 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 Mn – Lb 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 Cv ............................. 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


x

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


xi

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


xii

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, Kd........................................................... 26

Tabel 2.3.3.2 Faktor topografi................................................................... 27

Tabel 2.3.3.3 Nilai koefisien tekanan internal (GCpi) ................................ 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


xiii

Tabel 4.6.1 Perbedaan volume dan harga WSA ...................................... 156

Tabel 4.6.2 Perbedaan volume dan harga WSB ...................................... 157


xiv

DAFTAR NOTASI

� = Tegangan Terjadi (MPa)

�′ = Tegangan Izin (MPa)

Fy = Tegangan leleh baja (MPa)

Ru = Kuat perlu

� = Faktor tahanan

�� = Kuat rencana

V = Kecepatan angin dasar

Kd = Faktor arah angin

Kzt = Faktor topografi

GCpi = Koefisien tekanan internal

KL = Panjang efektif

rmin = radius girasi

Imin = Inersia

Pcr = Gaya aksial sesaat sebelum tekuk

rt = radius girasi ekivalen terhadap tekuk torsi

IpS = momen inersia polar terhadap pusat geser

Pu = Gaya tekan terfaktor

Pn = kuat tekan nominal komponen struktur

Fcr = Tegangan kritis

Fe = Tegangan tekuk Euler (elastis)

E = Modulus elastisitas baja (MPa)

G = Modulus elastisitas geser baja (MPa)

J = Konstanta torsi (mm4)


xv

Cw = Konstanta pilin/warping (mm6+

Mcr = Momen kritis yang menimbulkan tekuk torsi lateral

Sx = Modulus elastis penampang terhadap sumbu kuat (mm3+

Zx = Modulus plastis penampang terhadap sumbu kuat (mm3)

Lp = Jarak pertambatan maksimum untuk menghindari tekuk torsi lateral

Lb = Jarak pertambatan lateral

Lr = jarak pertambatan lateral maksimum sehingga serat terluar penampang bisa

mencapai leleh

Cb = factor pengaruh momen gradient

δ = Lendutan

Vu = gaya geser batas

Vn = kuat geser nominal balok

Aw = luas total pelat badan

Cv = koefisien geser pelat

Kv = koefisien tekuk pelat

Ist = Momen inersia pelat pengaku


STUDI PERBANDINGAN ANTARA GABLE FRAME METODE BAJA...

Documents

Transcript of STUDI PERBANDINGAN ANTARA GABLE FRAME METODE BAJA...