SAP2000 V.10 - ANALISIS DAN DESAIN STRUKTUR KOMPOSIT 3D Studi Kasus
Untuk menghubungkan dua bangunan gedung, direncanakan dibuat jembatan penyeberangan, seperti pada Gambar 1. Panjang jembatan penyeberangan 20 meter. Balok-balok memanjang dari jembatan, direncanakan dari profil baja IWF yang ditumpu oleh 4 buah portal beton dengan jarak antara portal 8m dan dan 6m. Potongan melintang melintang dari jembatan penyeberangan seperti pada Gambar 2.
Jembatan Penyeberangan
6m
8m
6m
Gambar 1. Konfigurasi Jembatan Jembatan Penyeberangan Dinding bata 1,25m Penutup Lantai Pelat Beton 12cm Profil IWF 300x150 + 4m Balok Beton 50x25cm Kolom Beton 50x35cm
+ 0,0 -1 m 4m Gambar 2. Potongan Melintang Struktur Strukt ur Jembatan Jembatan Penyeberangan
Teknik Sipil UNDIP
1
Lantai jembatan dari pelat beton tebal 12 cm, dan diatasnya terdapat lapisan penutup lantai. Berat 2 penutup lantai diperhitungkan sebesar 50 kg/m .
Gambar 3. Penempatan Profil Baja IWF, Balok & Kolom Beton
Sepanjang tepi dari jembatan dipasang dinding pasangan bata setinggi 1,25 m. Beban hidup di atas jembatan penyeberangan diperhitungkan sebesar 250 kg/m2. tf
Profil baja IWF 300x175 mempunyai dimensi sbb. : Tinggi badan (h) = 30 cm Lebar sayap (b) = 15 cm Tebal badan (tw) = 0,8 cm Tebal sayap (tf ) = 1 cm
h
tw
b
Untuk keperluan desain perlu dilakukan analisis struktur dengan menggunakan SAP2000. Struktur akan didesain dengan metode LRFD, kombinasi pembebanan ( load combination) yang ditinjau pada desain struktur adalah : U = 1,2.D + 1,6.L; dimana D = beban mati, L = beban hidup Karakteristik Bahan Beton : 2
3
Modulus elastisitas beton = 200000 kg/cm , Angka Poisson = 0,20, berat jenis beton = 2,4 ton/m = 3 0,0024 kg/cm . Mutu tulangan pokok fy. 400 MPa (t ulangan ulir/deform), mutu tulangan sengkang fy. 240 MPa (tulangan polos/plain), dan mutu beton f’c. 20 MPa (K.250). Untuk desain beton digunakan faktor reduksi kekuatan bahan ( ) sesuai SNI Beton 2002 yaitu : Bending = 0.8, Shear = 0,75, Compression (Spiral) = 0.7, Compression (Tied) = 0.65. Karakteristik Bahan Baja : 2
3
Modulus elastisitas baja = 2100000 kg/cm , Angka Poisson = 0,30, berat jenis baja = 7,85 ton/m = 3 2 0,00785 kg/cm . Mutu profil baja BJ.37, dengan tegangan leleh (Fy) = 2400 kg/cm dan tegangan 2 ultimate (Fu) = 3700 kg/cm . Beban mati pada jembatan penyeberangan terdiri dari :
Berat sendiri pelat, profil baja IWF, balok dan kolom portal beton (diinput secara otomatis dengan masukan berupa ukuran penampang dan berat jenis bahan) 2
2
Penutup lantai sebesar 50 kg/m = 0,005 kg/cm (diinput sebagai beban merata persatuan luas). Beban dinding bata sebesar : 1,25x250 kg/m = 312,5 kg/m = 3,125 kg/cm (diiput sebagai beban merata persatuan panjang)
Beban hidup pada jembatan penyeberangan terdiri dari :
2
2
Beban sebesar 250 kg/m = 0,025 kg/cm (diinput sebagai beban merata persatuan luas)
Teknik Sipil UNDIP
2
Data Masukan SAP2000 V.10 1. Memilih Sistem Satuan Pada kotak sistem satuan yang tersedia, pilih sistem satuan yang akan digunakan di dalam analisis struktur ( untuk perhitungan ini digunakan sistem satuan : kg-c m ).
2. Menyusun Bentuk Stuktur Dari menu File, pilih New Model. Pada kotak New Model , klik struktur portal 3 dimensi ( 3D Frames ). Pada kotak 3D Frames masukkan data konfigurasi struktur : 3D Frame Type Number of Stories Number of Bays, X Number of Bays, Y Story Height Bay Width, X Bay Width, Y Number of Divisions X Number of Divisions Y Klik OK.
= Beam Slab Building =1 =2 =3 = 500 = 200 = 800 =1 =6
Dengan memasukkan data-data ini, akan didapatkan model konfigurasi dari struktur seperti pada Gambar 4.
Gambar 4. Model Awal Dari Konfigurasi Struktur Sebelum Diedit. Untuk mendapatkan konfigurasi struktur tanpa adanya kolom-kolom tengah seperti yang direncanakan, maka kolom-kolom tengah dari struktur pada model awal strukt ur harus di hapus. Untuk menghapus dilakukan dengan cara, klik semua kolom tengah yang akan dihapus, pilih menu Edit, kemudian klik menu Cut . Pada model awal dari struktur, jarak antara kolom pada arah sumbu y adalah 800 cm. Untuk mendapatkan jarak-jarak portal 800 cm dan 600 cm seperti yang direncanakan, dapat dilakukan dengan cara menggeser portal-portal tepi pada arah sumbu y dengan menggunakan menu Edit dan menu Move. Model konfigurasi struktur setelah di edit, diperlihatkan pada Gambar 5.
Teknik Sipil UNDIP
3
Gambar 5. Model Konfigurasi Struktur Setelah Diedit
3. Mendefinisikan Karakteristik Material Untuk melakukan desain elemen beton (balok dan kolom) dan elemen baja (profil IWF) yang terdapat struktur jembatan penyeberangan, perlu terlebih dahulu didefinisikan karakteristik dari material beton dan baja yang digunakan. Untuk mendefinisikan material beton, dilakukan dengan cara sbb. : Dari menu Define, pilih Material . Pada kotak Define Materials pilih CONC, dan klik Modify/Show Material. Pada kotak Material Property Data masukkan data material : Analysis Property Data : Mass per unit Volume Weight per unit Volume Modulus of Elasticity Poisson Ratio Coeff of Thermal Expansion
=0 = 0.0024 = 2010190 = 0.20 =0
Design Property Data : Specified Conc Comp Strength, f’c Bending Reinf Yield Stress, fy Shear Reinf Yield Stress, fys Klik OK.
Teknik Sipil UNDIP
= 200 = 4000 = 2400
4
Gambar 6. Data Material Beton Bertulang Untuk mendefinisikan material baja, dilakukan dengan cara sbb. : Dari menu Define, pilih Material . Pada kotak Define Material . pilih STEEL dan klik Modify/Show Material . Pada kotak Material Property Data masukkan data : Analysis Property Data : Mass per Unit Volume Weight per Unit Volume Modulus of Elasticity Poisson Ratio Coef of thermal expansion
=0 = 0.00785 = 2100000 = 0.30 =0
Design Property Data : Minimum Yield Stress, Fy = 2400 Minimum Tensile Stress, Fu = 3700 Klik OK.
Gambar 7. Data Material Baja
Teknik Sipil UNDIP
5
4. Mendefinisikan Dimensi Elemen Dari menu Define, pilih Frame Sections. Pada kotak Frame Properties klik Add Rectangular , klik Add New Property. Pada kotak Rectangular Section, masukkan data balok anak : Section Name Dimension Material
: BALOK : - Depth = 50 : - Width = 25 : CONC
Klik Concrete Reinforcement . Pada kotak Reinforcement Data masukkan data : Design Type Concrete Cover to Rebar Center
: Beam : Top Bottom
=4 =4
Klik OK Pada kotak Frame Properties klik Add Copy of Property. Pada kotak Rectangular Section masukkan data : Section Name Dimension Material
: KOLOM : - Depth = 50 : - Width = 35 : CONC
Klik Concrete Reinforcement . Pada kotak Reinforcement Data masukkan data : Design Type Configuration of Reinforcement Lateral Reinforcement
: Column : Rectangular : Ties
Cover to Rebar Center Number of Bars in 3-dir Number of Bars in 2-dir
:4 :0 :0
Check/Design Klik OK.
: Reinforcement to be Designed
Pada kotak Frame Properties klik Add I/Wide Flange, klik Add New Property. Pada kotak I/Wide Flange Section, masukkan data profil IWF seperti pada gambar di bawah : Section Name Material
: IWF : STEEL
Dimensions : Outside height ( t3 ) Top flange width (t2 ) Top flange thickness ( tf ) Web thickness Bottom flange width ( t2b ) Bottom flange thickness ( tfb )
: 30 : 15 :1 : 0.8 : 15 :1
Klik OK.
Teknik Sipil UNDIP
6
Gambar 8. Data Masukan Profil Baja IWF
Dari menu Define, pilih Area Sections. Pada kotak Area Sections klik Add New Section. Pada kotak Shell Section Data, masukkan pelat : Section Name Type Material Name Material Angle
: PELAT : Plate-Thin : CONC :0
Thickness : Membrane Bending Klik OK.
: 12 : 12
5. Penempatan Elemen Pada Sistem Struktur Untuk menampilkan joint-joint pada struktur, pilih menu View, klik Set Display Options. Pada kotak Display Options For Active Window pilih Joint , kemudian klik Invisible. Untuk menyusun elemen balok dan kolom pada strukt ur, dilakukan sbb. :
Klik semua balok arah sumbu Y dari struktur. Pilih menu Assign, Frame/Cable/Tendon dan Frame Section. Pada kotak Frame Property, pilih IWF, klik OK . Klik semua balok arah sumbu X dari struktur. Pilih menu Assign, Frame/Cable/Tendon dan Frame Section. Pada kotak Frame Property, pilih BALOK, klik OK. Klik semua kolom dari struktur. Pilih menu Assign, Frame/Cable/Tendon dan Frame Section. Pada kotak Frame Property, pilih KOLOM, klik OK.
Untuk menyusun elemen pelat pada struktur, dilakukan sbb. :
Klik semua elemen pelat pada struktur. Pilih menu Assign, klik Area dan Section. Pada kotak Area Sections, klik PELAT, klik OK.
Untuk melihat konfigurasi perspektif dari struktur dan elemen-elemennya, gunakan menu View, Set Display Options. Pada kotak Display Options For Active Window klik Extrude View pada kotak General . Untuk mengatur posisi dari kolom-kolom struktur seperti yang direncanakan, dapat dilakukan dengan menggunakan menu Assign, Frame/Cable/Tendon, dan Local Axes untuk memutar sumbu kolom.
Teknik Sipil UNDIP
7
6. Mendefinisikan Jenis Tumpuan Klik semua joint yang merupakan tumpuan struktur. Pilih menu Assign, kemudian Joint dan Restraints. Di dalam kotak Joint Restraints, pada Fast Joint Restraints, klik tumpuan jepit, klik OK .
7. Mendefinisikan Kasus Beban, Kasus Analisis, Dan Kombinasi Pembebanan Beban yang ditinjau bekerja pada struktur adalah kombinasi antara beban mati dan beban hidup dengan faktor beban sebesar 1,2 dan 1,6. Untuk mendefinisikan kasus beban (load case), kasus analisis (analysis case), dan kombinasi pembebanan yang ditinjau bekerja pada struktur, dilakukan sbb. :
Dari menu Define, pilih Load Cases. Pada kotak Defines Load masukkan data : Load Name Type Self Weight Multiplier
= DEAD = DEAD =1
Load Name Type Self Weight Multiplier Klik OK.
= LIVE = LIVE =0
Dari menu Define, pilih Analysis Cases. Pada kotak Analysis Case masukkan data : Case Name Case Type
= DEAD = Linear Static
Load Name Case Type
= LIVE = Linear Static
Hapus Case Name (MODAL) dengan menggunakan Delete Case. Dari menu Define, pilih Combinations. Pada kotak Define Respons Combinations, klik Add New Combo. Pada kotak Respons Combination Data masukkan data : Respons Combination Name : COMB 1 Combination Type Case Name Case Type Scale Factor Klik Add
: Linear Add : DEAD : Linear Static : 1.2
Combination Type Case Name Case Type Scale Factor Klik OK.
: Linear Add : LIVE : Linear Static : 1.6
8. Mendefinisikan Beban Pada Struktur. A. Beban Mati
Klik semua elemen pelat. Pilih menu Assign, kemudian Area Loads, dan Uniform (Shell ) Distributed . Pada kotak Area Uniform Loads masukkan data beban penutup lantai 0.005 kg/cm 2 :
Teknik Sipil UNDIP
8
Load Case Name Unit
: DEAD : Kg, cm, C
Uniform Load Load Coor System Direction Options Klik OK.
: : -0.005 : Globals :Z : Replace Existing Loads
Untuk memasukkan beban dinding pada struktur, dilakukan sbb. : Klik profil-profil IWF yang terletak ditepi, pilih menu Assign, kemudian Frame/Cable/Tendon Loads, klik Distributed. Pada kotak Frame Distributed Loads masukkan data beban dinding sebesar 3,125 kg/cm sbb. : Load Case Name Unit
: DEAD : Kg, cm, C
Load Type and Directions : Forces Coord Sys : GLOBAL Direction :Z Options : Replace Existing Loads Uniform Load : -3.125 Klik OK. B. Beban Hidup
Klik semua elemen pelat. Pilih menu Assign, kemudian Area Loads, dan Uniform (Shell ) Distributed . 2 Pada kotak Area Uniform Loads masukkan data beban hidup merata 0.025 kg/cm : Load Case Name Unit
: LIVE : Kg, cm, C
Uniform Load Load Coor System Direction Options Klik OK.
: : -0.025 : Globals :Z : Replace Existing Loads
9. Mendefinisikan Faktor Reduksi Kekuatan Dan Tipe Rangka/Portal Beton Untuk melakukan desain struktur beton, perlu didefinisikan Faktor Reduksi Kekuatan Bahan (Strength Reduction F actors ) yang akan digunakan di dalam proses desain sbb. : Dari menu Options, klik Preferences, kemudian Concrete Frame Design. Pada kotak Concrete Frame Design Preferences, masukkan data : Design Code Phi (Bending Tension) Phi (Compression Tied) Phi (Compression Spiral) Phi (Shear) Klik OK.
Teknik Sipil UNDIP
: ACI 318-99 = 0,8 = 0,65 = 0,7 = 0,75
9
Gambar 9. Data Masukan Untuk Faktor Reduksi Kekuatan Bahan ( ) Karena struktur portal beton direncanakan sebagai port al elastis (tidak daktail), maka untuk melakukan desain struktur, dilakukan sbb. : Klik semua elemen dari struktur beton. Pilih menu Design, klik Concrete Frame Design, klik View/Revise Overwrite. Pada kotak Concrete Frame Design Overwrites for ACI 318-99, masukkan data : Framing Type : Sway Ordinary Klik OK.
Gambar 10. Data Masukan Untuk Tipe Rangka ( Framing Type) Struktur Beton
Teknik Sipil UNDIP
10
10. Menentukan Metode Desain Struktur Baja Sebelum melakukan desain struktur baja, terlebih dahulu harus ditentukan metode desain yang akan digunakan. Desain struktur baja dapat dilakukan dengan metode LRFD (L oad Resistance F actor ) atau metode ASD (Al lowable Stress Desi gn ). Untuk stuktur jembatan penyeberangan ini akan Design didesain dengan metode LRFD. Klik semua elemen dari struktur baja. Dari menu Options, pilih Preferences, kemudian Steel Frame Design. Pada kotak Steel Frame Design Preference, masukkan data : Design Code Framing Type Phi (Bending) Phi (Compression) Phi (Tension) Phi (Shear) Phi (Compression, Angle) Consider Deflection Stress Ratio Limit Klik OK.
: AISC-LRFD93 : Moment Frame = 0,9 = 0,85 = 0,9 = 0,9 = 0,9 : Yes =1
Gambar 11. Data Masukan Untuk Desain Struktur Baja
11. Mendefinisikan Kombinasi Pembebanan Yang Ditinjau Pada Desain Struktur Sebelum melakukan analisis dan desain st ruktur, perlu terlebih dahulu ditentukan kombinasi pembebanan (load combination) yang akan ditinjau di dalam desain, sbb. : Pilih menu Design, klik Concrete Frame Design, klik Select Design Combos. Pada Design Load Combination Selections, dari kotak List of Combo pilih kombinasi pembebanan yang akan dianalisis yaitu COMB1, kemudian klik Add . Dengan cara ini kombinasi pembebanan yang dipilih akan berpindah ke kotak Design Combos. Kombinasi pembebanan lainnya yang tidak dianalisis harus dihilangkan dari kotak Design Combos. Pilih kombinasi pembebanan yang tidak dianalisis, klik Remove. Klik OK. Pilih menu Design, klik Steel Frame Design, klik Select Design Combos. Teknik Sipil UNDIP
11
Pada Design Load Combination Selections, dari kotak List of Combo pilih kombinasi pembebanan yang akan dianalisis yaitu COMB1, kemudian klik Add . Dengan cara ini kombinasi pembebanan yang dipilih akan berpindah ke kotak Design Combos. Kombinasi pembebanan lainnya yang tidak dianalisis harus dihilangkan dari kotak Design Combos. Pilih kombinasi pembebanan yang tidak dianalisis, klik Remove. Klik OK.
Gambar 12. Kombinasi Pembebanan Yang Di Desain (COMB1) Sebelum melakukan analisis, file data masukan perlu terlebih dahulu disimpan. Penyimpanan data masukan dilakukan sbb. : Pilih menu File, kemudian klik Save As. Pada kotak Save Model File As, ketikan nama file misal JEMBATAN KOMPOSIT, klik Save. Dengan cara ini file akan disimpan dengan nama JEMBATAN KOMPOSIT SDB. Untuk melakukan analisis struktur, pilih menu Analyze, kemudian klik Run Analyze.
12. Desain Struktur Beton Untuk desain dari struktur beton dilakukan sbb. : Pilih menu Design, klik Concrete Design Frame, kemudian klik Start Design/Check of Structure. Untuk menampilkan tulangan lentur (longitudinal reinforcing ), jumlah tulangan geser ( shear reinforcing ), atau tulangan torsi (torsion reinforcing ), dilakukan sbb. : Pilih menu Design, klik Concrete Design Frame, kemudian klik Display Design Info. Pada kotak Display Concrete Design Results (ACI 318-05), pilih Design Output , kemudian pilih Longitudinal , Shear Rein f orcin g , atau Torsion Rein for cing , klik OK. Reinforcing
Teknik Sipil UNDIP
12
Gambar 13a. Tulangan Pokok ( Longitudinal Reinforcing ) Pada Portal Beton – Satuan : cm2
Gambar 13b. Tulangan Geser (Shear Reinforcing ) Pada Portal Beton – Satuan : cm2/cm
Teknik Sipil UNDIP
13
13. Desain Struktur Baja Untuk desain dari struktur baja dilakukan sbb. : Pilih menu Design, pilih Steel Design, kemudian Start Design/Check of Structure. Hasil desain dari struktur baja akan ditampilkan dalam bentuk grafis berupa nilai rasio tegangan ( stress ratio) dari masing-masing elemen struktur. Untuk menampilkan nilai rasio tegangan (str ess r ati o ) dari elemen struktur baja, dilakukan sbb. : Pilih menu Design, klik Steel Design Frame, kemudian klik Display Design Info. Pada kotak Display Steel Design Results (AISC-LRFD93), pilih P-M Ratio Colors & Values, klik OK .
Gambar 14. Rasio Tegangan Pada Profil Baja (Steel P-M Interaction Ratio) Catatan : Untuk profil-profil yang berwarna merah atau yang nilai rasio tegangannya > 1, ukuran profil harus diperbesar)
14. Menampilkan Gaya Dalam Elemen (L ocal E lement F orces )
Untuk menampilkan gambar dilayar monitor, seperti pembebanan pada struktur, deformasi struktur, diagram momen lentur M33 dan M22, diagram gaya geser V22 dan V33, diagram gaya aksial P, dan momen puntir/torsi T, digunakan menu Display. Untuk menampilkan gaya-gaya dalam di elemen frame seperti momen lentur, gaya geser, gaya aksial, dan torsi, dilakukan sbb. :
Pilih menu Display, kemudian Show Force Stresses, kemudian klik Frames/Cables. Pada kotak Member Forces Diagram for Frames, pilih kasus atau kombinasi pembebanan yang akan ditampilkan.
Pada kotak Component , pilih salah satu gaya dalam elemen yang akan ditampilkan yaitu : Moment 3-3, Moment 2-2, Shear 3-3, Shear 2-2, Axial Force, atau Torsion, kemudian klik OK.
Teknik Sipil UNDIP
14
Gambar 15a. Diagram Momen Lentur (M3) Pada Struktur
Gambar 15b. Diagram Gaya Geser (V2) Pada Str uktur
Teknik Sipil UNDIP
15
Gambar 15c. Diagram Gaya Aksial/Normal (P) Pada Struktur
Gambar 15d. Diagram Torsi (T) Pada Struktur
Untuk menampilkan momen lentur di pelat, dilakukan sbb. :
Pilih menu Display, kemudian Show Force/ Stresses, kemudian klik Shells. Pada kotak Member Forces Diagrams, masukkan data : Case/Combo Name Component Type
Teknik Sipil UNDIP
: COMB1 : Resultant Forces
16
Untuk menampilkan momen lentur pada elemen shell (pelat), pada kotak Component bisa dipilih M11 atau M22. M11 adalah momen lentur pada pelat pada arah sumbu lokal pelat 1, M22 adalah momen lentur pada pelat pada arah sumbu lokal pelat 2. Untuk menampilkan sumbu lokal dari pelat, pilih menu View, kemudian klik Set Display Options, Pada kotak Display Options For Active Window pilih Areas, klik Local Axes, klik OK.
Gambar 16a. Momen Lentur Pelat (M11) – Arah Sumbu X
Gambar 16b. Momen Lentur Pelat (M22) – Arah Sumbu Y
Teknik Sipil UNDIP
17
Teknik Sipil UNDIP
18
