Modul 2- SAP2000

DASAR‐ DASAR SAP2000

Workshop Pelatihan SAP JTS‐UNIMAL  MODUL 1

Ap A p a it i t u SAP? SA P? SAP

(Structural

Analysis

Program)

merupakan

perangkat

lunak

komputer

yang

diperuntukkan bagi analisis dan desian struktur bangunan sipil. Program ini merupakan hasil kerja riset pada Universitas Barkeley, California, USA, oleh Prof. Edward L. Wilson beserta kolegenya yang dimulai sejak tahun 1970an. Selanjutnya untuk keperluan komersial, SAP dipasarkan dan dikembangkan oleh perusahaan CSI (Computer and Structure, Inc.) Pada era sistem operasi DOS (OS berbasis teks) versi SAP yang terkenal adalah SAP90, yang kemudian pada era sistem operasi Windows (OS berbasis GUI) berubah menjadi SAP2000. SAP90 hanya dapat melakukan analisis struktur, jadi untuk desain beton/baja harus dilanjutkan dengan program lain yaitu: SAPCON (untuk desain beton) atau SAPSTEEL (untuk desain baja). Sedangkan SAP2000, analisis dan design sudah terintegrasi dalam satu paket program. Sampai tahun 2012, pengembangan program SAP2000 telah mencapai versi 15. Dalam penyelesaian perhitungan struktur, SAP90/SAP2000 menggunakan Metode Elemen Hingga (Finite Element Methode).

Struktur P

Model P

Deskritasi Deskritasi Model 

P = .At

At

Tanah Pondasi

Tumpuan Rigid

P

1

A1

2

A2

3

A3

Representasi Fisik

Model MEH

Gambar: Tahapan Umum dalam Pemodelan Struktur

Ap A p a yan y ang g Dapat Dap at Dil Di l aku ak u k an d eng en g an SAP2000? SA P2000? Program ini akan sangat membantu meyelesaikan perhitungan-perhitungan struktur teknik sipil dalam waktu yang relatif singkat. Program dapat menganalisis beban statik dan beban dinamik secara bersamaan. Namun demikian, perlu dicatat bahwa tidak ada satupun program komputer yang dapat menggantikan pendapat atau pertimbangan dan pengalaman seorang ahli struktur.

Yulius Rief Alkhaly, Alkhaly, ST., M.Eng Modul 1: Modul 1: Dasar ‐Dasar SAP2000 Dasar SAP2000

JTS –Unimal JTS –Unimal 2012 2012

Hal: 1

Gambar: Beberapa Model Struktur yang Dapat Dianalisis dengan SAP2000 V.14

Nodal dan Elemen (Joint and element) element) Ukuran dasar geometri dari struktur ditentukan oleh penempatan nodal-nodal (titik kumpul) yang mengikuti bentuk struktur. Masing-masing nodal diberikan nomor identifikasi khusus dan mempunyai koordinat pada sistem koordinat global. Untuk melengkapi bentuk geometri struktur, dari nodal-nodal yang telah didefinisikan harus dihubungkan dengan elemen struktur, yang masing-masing elemen diberikan nomor identifikasi khusus juga. Elemen ini berupa balok dan kolom pada struktur portal atau elemen batang pada struktur rangka .

Sistem Koord inat Glob Global al dan dan Lok al (Coor (Coor dinate Global and Local) Sistem koordinat yang digunakan dalam SAP2000 ada dua jenis, yaitu Koordinat global dan koordinat lokal. Semua data yang berhubungan dengan geometri struktur, baik berupa data masukan atau data keluaran dari program akan selalu ditampilkan dalam sistem koordinat Cartesius (X, Y, Z) atau disebut juga koordinat global. SAP2000 selalu menganggap sumbu global + Z sebagai arah ke atas.



Hal: 2

Koordinat lokal juga menggunakan sistem koordinat Cartesius (1, 2, 3), namun pada koordinat ini salah satu dari sumbu koordinat, yaitu sumbu 1, selalu berada pada sumbu memanjang elemen. Data masukan yang mengikuti sistem koordinat global adalah: 

Koordinat nodal



Pengekangan nodal



Beban terpusat pada nodal

dan data masukan yang mengikuti sistem koordinat lokal adalah: 

Material elemen dan data material



Beban terpusat dan beban terbagi rata pada elemen Koordinat Lokal 2 elemen 3

3 3

3

4

1

1 2 1 2

3

1

Koordinat Lokal elemen 1

2

3

Z 2

1

Y

Koordinat Lokal elemen 2

X

2 Nomor join 2 Nomor elemen

Koordinal Global

Gambar: Nomor Nodal, Nomor Elemen, Koordinat Global dan Koordinat Lokal

Gambar: Bentuk Penampang dan Koordinat Lokal Yulius Rief Alkhaly, ST., M.Eng Modul 1: Dasar ‐Dasar SAP2000

JTS –Unimal 2012

Hal: 3

Gambar: Bentuk Penampang dan Koordinat Lokal (lanjutan)

Derajat Kebebasan (Degree of Freedom) Setiap nodal dari struktur portal 2 dimensi mempunyai 3 derajat kebebasan. Bila penggambaran dilakukan pada bidang X-Y, maka derajat kekebasan itu berupa: nodal dapat bertranslasi pada sumbu koordinat global X dan Y, serta dapat berotasi pada sumbu koordinat global Z. UY1

UY2 UX1

R Z1 1

R Z2

UX2

2

Gambar: Derajat Kebebasan Elemen Balok Rangka Bidang (2 Dimensi) Dapatkah anda terangkan apakah nodal dapat berotasi pada sumbu koordinat global X dan Y, atau bertranslasi pada sumbu koordinat global Z? Pengertian terhadap derajat kebebasan sangat dibutuhkan pada pengisian data Restraints. Yulius Rief Alkhaly, ST., M.Eng Modul 1: Dasar ‐Dasar SAP2000

JTS –Unimal 2012

Hal: 4

Gambar: Pengekangan Tumpuan ( Restraints)

Pola Beban, Kondis i Beban, dan Kombinasi Beban (Load Pattern, Lo ad Case, and L oad Combin ation) Sangat penting mengetahui istilah yang berkaitan dengan pembebanan pada SAP2000 versi 14. Istilah-istilah tersebut berupa: Pola beban, Kondisi beban, dan Kombinasi beban. Pola Beban adalah: Jenis dan besaran beban yang berpengaruh pada struktur, termasuk gaya,

perpindahan nodal, temperatur, tekanan, percepatan tanah dan lainya. Umumnya, jenis beban bekerja secara terpisah-pisah pada struktur harus dikelompokkan menurut kriteria tertentu dengan atau tanpa faktor pengali (multiplier). Misalnya: beban mati, beban hidup, beban gempa dan beban lainnya. Kondisi Beban adalah: penetapan bagaimana pola beban diaplikasikan pada struktur: apakah

sebagai beban statik atau dinamik, analisis linier atau non-linier, ataupun sebagai beban bergerak, dan lain sebaginya.

Yulius Rief Alkhaly, ST., M.Eng Modul 1: Dasar ‐Dasar SAP2000

JTS –Unimal 2012

Hal: 5

Kombinasi Beban adalah: Penjumlahan secara: linier/absolut/amplop/interval/SRSS dari

kondisi beban dengan kriteria tertentu yang ditetapkan. Misalnya: Kombinasi 1,2BM + 1,6BH. Kombinasi beban digunakan sebagai dasar dalam desain elemen struktur. Catatan: Ada perbedaan yang signifikan dalam penggunan nomenklatur pada SAP2000 versi 14 dengan SAP2000 versi 11 atau lebih lama: Istilah "load pattern" menggantikan "load "load cases" dari versi terdahulu. terdahulu. Istilah "load cases" menggantikan "analysis cases" dari versi terdahulu.

Peng Penggu gunaan naan Satuan Satuan Saat membuka aplikasi SAP2000, satuan baku yang muncul adalah: Kip, in. Namun demikian pengguna SAP2000 dapat memilih sendiri satuan yang akan dipakai. SAP2000 berjalan dengan empat satuan dasar: gaya, panjang, suhu, dan waktu. Program ini menawarkan banyak pilihan satuan yang kompatibel untuk gaya, panjang dan temperature, misalnya "Kip, in, F" atau "N, mm, C. Satuan waktu selalu diukur dalam detik (kecuali untuk rangkak, susut, yang diukur dalam hari.) Satuan yang dipakai dalam analisis haruslah selalu kosisten.

An A n t ar Muk Mu k a SAP2000 SA P2000 Sebagaimana program aplikasi yang berbasis GUI lainnya, guna memudahkan pengguna dalam menjalankan aplikasi, SAP2000 R.14 menyediakan Menu menyediakan Menu Bar yang Bar yang terdiri atas 14 item dan didukung oleh icon-icon pada toolbars pada toolbars yang yang dapat mempersingkat perintah.



Hal: 6

New Model Open File Save File

Run Analysis

View Setting

Zooming

Pointer Draw Special Joint Draw Frame Elemen Quik Draw Frame Elemen

Garis Grid

Snap

Unit

Catatan: Untuk mengetahui fungsi masing-masing icon, letakkan pointer mouse mouse di atas icon yang bersangkutan, sehingga tampil tool tipnya.

Menu-menu yang sering digunakan untuk analisis dan disain adalah menu: File, Define, Draw, Select, Asign, Display dan Design.

Menu Menu File Perintah (menu) File, digunakan untuk memulai model geometri baru, membuka file atau memodifikasi file eksisting, menyimpan file yang aktif, dan untuk menghasilkan output hasil analisis dan desain. Model struktur baru dapat dibuat melalui pengaturan manual jarak grid pada masing-masing sumbu dan ketinggian struktur (elemen struktur harus digambar manual juga), atau dengan memilih template jenis geometri struktur yang telah disediakan oleh program.



Hal: 7

1)

New Model



Hal: 8

New Model dengan pilihan Grids Only, Koordinat Cartesian

New Model dengan pilihan Grids Only, Koordinat Cylindrical

New Model dengan pilihan 2D Trusses, Sloped Truss


JTS –Unimal 2012

Hal: 9

New Model dengan pilihan 2D Frames, Portal

Model geometri struktur juga dapat di import dari hasil penggambaran program AutoCAD, atau program CAD lain dengan format file: .DXF, IFC, atau .IGES. 2)

Printing

Deskripsi dari model struktur dan hasil dari analisis dan desain dapat di- print (dicetak) dalam bentuk tabulasi atau bentuk laporan yang berisikan grafik, teks dan format yang dapat dikostumisasi. Yulius Rief Alkhaly, ST., M.Eng Modul 1: Dasar ‐Dasar SAP2000

JTS –Unimal 2012

Hal: 10

Jendela aktif dapat juga di- print (dicetak) dalam bentuk grafik atau disimpan dalam bentuk file bitmap (.bmp) atau enhanced Windows metafile (.emf)

Menu Define Menu Define digunakan untuk membuat (mendefinisikan) nama entitas yang bukan merupakan bagian dari geometri suatu model. Entitas disini dapat berupa: 

Sifat-sifat objek (Object properties), seperti: o

Sifat-sifat material (Material properties)

o

Sifat-sifat keratan/penampang elemen rangka (Frame section properties)



Sistem Koordinat/grid (Coordinate/grid systems)



Pembatasan nodal (Nodalt constraints)


JTS –Unimal 2012

Hal: 11



Item-item Pembebanan (Load-related items), seperti: o

Pola beban (Load patterns)

o

Sumber massa (Mass source)

o

Fungsi respon spektrum dan riwayat waktu (Response-spectrum and time-history functions)



1)

Item-item Analisis (Analysis items), seperti: o

Kondisi beban (Load cases)

o

Kombinasi beban (Load combinations)

Materials…

Menu ini digunakan untuk pendefinisian jenis material, menambah material baru, memodifikasi atau menghapus jenis material.


JTS –Unimal 2012

Hal: 12

Add New Material Quick (Pendefinisian material baru secara cepat)

Add New Material (Pendefinisian material baru)

2)

Section Properties…


JTS –Unimal 2012

Hal: 13

Frame Section… dengan pilihan Add New Property

Menu ini berfungsi untuk mendefinisikan sifat keratan elemen material yang akan digunakan dalam analisis.

Frame Section… dengan pilihan Modify/Show Property

Menu ini digunakan untuk menampilkan atau merubah sifat-sifat material


JTS –Unimal 2012

Hal: 14

Reinforcement Bar Sizes

Menu ini berfungsi untuk mendefinisikan diameter dan luas baja tulangan yang akan digunakan pada saat desain penulangan beton.

3)

Functions

Response Spectrum…dengan pilihan Add New Fuction….Convert to User Difined

Menu ini berfungsi untuk mendefinisikan parameter-parameter spektrum respon yang akan digunakan pada saat analisis beban gempa dinamis


JTS –Unimal 2012

Hal: 15

4)

Load Petterns…

Menu ini digunakan untuk mendefinisikan jenis pola pembebanan yang akan diaplikasikan pada struktur.

5)

Load Cases…

Fungsi menu ini adalah untuk mendefinisikan katagori beban, misalnya beban mati sebagai beban statik.

6)

Load Combinations…

Kombinasi pembebanan yang disyaratkan oleh peraturan standar perencanaan struktur dapat diisikan melalui menu ini.


JTS –Unimal 2012

Hal: 16

Menu Draw Sebagaimana di dijelaskan di atas, untuk memulai geometri baru ada pilihan Grids Only, sehingga penggambaran geometri tersebut harus dilakukan secara manual di layar SAP2000. Untuk keperluan penggambaran manual dilakukan dengan Menu Draw.

1)

Draw Frame/Cable/Tendon

Digunakan untuk mengambar geometri secara manual dari satu nodal awal ke nodal akhir.


JTS –Unimal 2012

Hal: 17

2)

Quick Draw Frame/Cable/Tendon

Untuk mempercepat penggambaran geometri secara manual, dapat digunakan menu ini, karena hanya membutukan 1 klik pada grid yang akan diberi elemen.

Menu Select Menu ini digunakan untuk memilih suatu objek dalam jendela aktif dengan menggunakan mouse. Tampilan objek yang dipilih pada layar akan berubah menjadi putus-putus.

Menu Assign Menu ini digunakan untuk memberikan/menetapkan sifat-sifat ( properties) dan beban-beban (loads) pada satu objek atau beberapa objek sekaligus. Objek disini dapat berupa nodal ataupun elemen. Menu ini baru akan aktif apabila ada objek yang sudah dipilih ( select ).


JTS –Unimal 2012

Hal: 18

1)

Joint

Berfungsi memberikan sifat-sifat pada objek nodal berupa: restraints, constraints, masses, local coordinate systems dan lainnya.

Restraints…

Berfungsi untuk memberikan pengekangan tumpuan atau derajat kebebasan pada nodal.

Constraints…

Fungsi menu ini untuk memberikan keseragaman gerak dari nodal-nodal.


JTS –Unimal 2012

Hal: 19

Messes…

Berfungsi untuk memberikan besaran massa pada nodal.

Local Axes…

Berguna untuk menentukan besarnya rotasi sumbu lokal yang akan diaplikasikan pada nodal, sangat berguna untuk menentukan arah dan posisi tumpuan.

2)

Frame

Berfungsi memberikan sifat-sifat pada objek batang/elemen berupa: section properties, property modifiers, releases/patial fixity, local coordinate systems, end offsets, dan

lainnya.


JTS –Unimal 2012

Hal: 20

Frame Sections…

Berguna untuk memberikan jenis penampang pada elemen

Property Modifiers

Berguna untuk memodifikasi sifat-sifat penampang


JTS –Unimal 2012

Hal: 21

Releases/Partial Fixity…

Berfungsi untuk menetapkan kebebasan batang terhadap gaya-gaya dalam, misalnya pada struktur rangka tidak terdapat momen dan gaya lintang.

Local Axes…

Berguna untuk memutar sumbu lokal suatu objek batang/elemen

End (Length) Offsets…

Berfungsi untuk mendefinisikan panjang bentang bersih dari suatu objek batang/elemen


JTS –Unimal 2012

Hal: 22

3)

Joint Loads

Berfungsi untuk memberikan pembebanan pada nodal (tit ik buhul)

Forces…

Beban-beban terpusat pada nodal (titik buhul) dapat diberikan melalui menu ini.

4)

Frame Loads

Berfungsi untuk memberikan pembebanan pada elemen struktur


JTS –Unimal 2012

Hal: 23

Gravity…

Berfungsi untuk memerintah program agar berat sendiri elemen dihitung sebagai beban dalam arah sumbu global tertentu.

Point…

Beban terpusat atau momen dapat diberikan sepanjang bentang elemen dengan menggunakan menu ini.

Distributed…

Beban terbagi rata atau beban trapesium/segitiga dan momen dapat diberikan sepanjang elemen/bentang memakai perintah ini.


JTS –Unimal 2012

Hal: 24

Menu Analy ze Menu ini merupakan perintah tahap akhir untuk analisis setelah seluruh data pada geometri struktur didefinisikan.

1)

Set Analysis Option

Berguna untuk mengatur derajat kebebasan secara umum dari jenis geometri struktur yang akan dianalisis


JTS –Unimal 2012

Hal: 25

2)

Set Load Cases to Run

Berguna untuk menetapkan kondisi beban yang akan dijalankan pada saat analisis.

3)

Run Analysis

Adalah perintah eksekusi program SAP 2000 untuk melakukan analisis struktur

Menu Display Menu ini berguna untuk menampilkan geometri struktur, beban yang telah diberikan pada elemen dan hasil analisis baik dalam bentuk gafik maupun tabel.


JTS –Unimal 2012

Hal: 26

1)

Show Undeformed Shape

Setelah Run Analysis, tampilan geometri struktur pada layar SAP2000 akan berubah menjadi Deformed Shape (Derformasi bentuk ) , menu ini berfungsi mengembalikan ke tampilan semula.

2)

Show Load Assign

Menu ini berguna untuk memperlihatkan beban-beban luar pada geometri struktur yang telah diberikan sebelumnya.

Joint…

Beban-beban luar terpusat pada nodal yang telah diberikan sebelumnya dapat ditampilkan kembali dengan menggunakan perintah ini.


JTS –Unimal 2012

Hal: 27

Frame/Cable/Tendon

Seluruh beban luar pada elemen yang telah diberikan sebelumnya dapat ditampilkan kembali dengan menggunakan perintah ini.

3)

Show Deformed Shape…

Bentuk deformasi geometri struktur hasil analisis pembebanan dapat ditampilkan melalui menu ini.

4)

Show Forces/Stresses

Menu ini berfungsi untuk menampilkan grafis bidang momen, bidang lintang dan bidang normal hasil analisis


JTS –Unimal 2012

Hal: 28

Joints…

Berfungsi untuk menampilkan gaya-gaya reaksi pada nodal hasil analisis.

Frames/Cables…

Menu ini berfungsi untuk menampilkan grafis bidang momen, bidang lintang dan bidang normal (aksial) hasil analisis.


JTS –Unimal 2012

Hal: 29

Menu Design Menu ini berfungsi untuk melakukan desain terhadap seluruh elemen struktur berdasarkan anlisi yang telah dijalankan.

1)

Steel Frame Design

Desain elemen yang berupa struktur baja.

View/Revise Preferences

Berguna untuk menetapkan standar yang digunakan untuk desain struktur baja.


JTS –Unimal 2012

Hal: 30

Select Design Combos…

Menu ini digunakan untuk memilih kombinasi beban yang digunakan untuk desain elemen struktur baja.

Start Design/Check of Structure

Merupakan eksekusi program untuk melakukan desain elemen struktur baja.

2)

Concrete Frame Design

Merupakan menu untuk desain elemen struktur beton.

View/Revise Preferences

Berguna untuk menetapkan standar yang digunakan untuk desain struktur baja.


JTS –Unimal 2012

Hal: 31

Select Design Combos…

Menu ini digunakan untuk memilih kombinasi beban yang digunakan untuk desain elemen struktur beton.

Start Design/Check of Structure

Merupakan eksekusi program untuk melakukan desain elemen struktur beton.


JTS –Unimal 2012

Hal: 32

FUNGSI KLIK KANAN MOUSE PADA SAP2000 V.14

LATIHAN 1.

Balok beton kantilever dengan mutu beton f’c = 25 MPa dan mutu baja fy = 400 MPa, beban yang bekerja hanya beban mati. P = 1,5 kN q = 5 kN/m

q = 8 kN/m

As 50

45

30

1,5 m 3,0 m

Langkah-Langkah Pengisian Data:

1)

Buat satu folder baru untuk tempat data SAP2000;

2)

Jalankan aplikasi SAP2000 V.14, buat file baru, new model, atur satuan menjadi K, m, C. Pilih template Beam;


JTS –Unimal 2012

Hal: 33

Catatan: Jangan lupa untuk menyimpan ( Save) file setiap akhir dari langkah pengiisian data

3)

Atur jumlah bentang, Number of Spans = 1; panjang bentang, Span Length = 3; hilangkan tanda contreng pada Restraints; klik OK;

4)

Tutup jendela layar sebalah kiri;

5)

Buat pengekangan tumpuan jepit pada ujung kiri bentang: pilih nodal dengan cara Click-Drag dari kiri ke kanan; pilih menu Assign + Joint + Restrains; pilih template jepit pada bagian Fast Restraints; klik OK;

6)

Atur posisi tumpuan jepit: pilih nodal ; pilih menu Assign + Joint + Local Axes…; isi perputaran nodal, Rotation about Y’ = 90; klik OK;


JTS –Unimal 2012

Hal: 34

7)

Definisikan mutu beton: pilih menu Define + Material…+ add New Material;


JTS –Unimal 2012

Hal: 35

Isikan: Material Name and Display Color = Beton25MPa; Material Type = Concrete; Unit = N, mm, C ; Weight per Unit Volume = 2,400E-05; Modulus of Elasticity, E = 4700 25 = 23500 Poisson’s Ratio = 0,2; Coefficient of Thermal Expation, A = 1,170E-05; Specified Concrete Compression Strength, f’c =25; Klik OK; klik OK untuk mengakhiri. 8)

Definisikan mutu baja tulangan, ulangi langkah ke-7: pilih menu Define + Material…+ add New Material;

Isikan: Material Name and Display Color = BJ400MPa; Material Type = Rebar; Unit = N, mm, C; Weight per Unit Volume = 7,697E-05; Modulus of Elasticity, E = 200.000; Poisson’s Ratio = 0,3; Coefficient of Thermal Expation, A = 1,170E-05; Minimum Yield Stress, Fy = 400; Minimum Tensile Stress, Fu = 540; Expected Yield Stress, Fye = Fy * 1,1 = 440; Expected Tensile Stress, Fue =Fu * 1,1 = 590; Klik OK; Klik OK untuk mengakhiri. 9)

Definisikan ukuran penampang: pilih menu Define + Section Properties + Frame Sections…+ Add New Property; ganti Frame Section Property Type = Concrete; pilih template Rectangular;


JTS –Unimal 2012

Hal: 36

Isikan: Section Name = B30x50; Material = Beton25MPa; Depth (t3) = 0,5; Width (t2) = 0,3; Selanjutnya: klik Concrete Reinforcement Yulius Rief Alkhaly, ST., M.Eng Modul 1: Dasar ‐Dasar SAP2000

JTS –Unimal 2012

Hal: 37

Ganti: Design Type = Beam; hingga tampilan berubah seperti di bawah:

Ganti: Longitudinal Bars = BJ400MPa Confinement Bars (Ties) = BJ400MPa Isikan selimut beton: Top = 0,05; Bottom = 0,05 Klik OK; Klik OK sekali lagi; klik OK untuk mengakhiri. Yulius Rief Alkhaly, ST., M.Eng Modul 1: Dasar ‐Dasar SAP2000

JTS –Unimal 2012

Hal: 38

10)

Definisikan pola beban: Define + Load Pattern

Isikan: Load Pattern Name = BM Type = Dead Self-weight Multiplier = 1 klik Add New Load Pattern ; klik OK; 11)

Definisikan Kombinasi beban: Define + Load Combination…+ Add New Combo

Isikan: Load Combination Name = KOMB01; Yulius Rief Alkhaly, ST., M.Eng Modul 1: Dasar ‐Dasar SAP2000

JTS –Unimal 2012

Hal: 39

Load Case Name = BM; Load Case Type = Linier Static; Scale Factor = 1,4; Klik Add Klik OK; 12)

Penetapan sifat penampang pada elemen: pilih elemen yang dimaksud dengan cara Click-Drag dari kanan ke kiri; pilih menu Assign + Frame + Frame Sections…; klik B30x50; klik OK;

13)

Penetapan berat sendiri

elemen agar dikalkulasikan secara automatis oleh

program: pilih elemen yang dimaksud; pilih menu Assign + Frame + Frame Loads + Gravity…;

Isikan: Load Pattern Name = BM Global Z = -1 Klik OK;


JTS –Unimal 2012

Hal: 40

14)

Penetapan beban luar terpusat yang bekerja pada elemen: pilih elemen yang dimaksud; pilih menu Assign + Frame + Frame Loads + Point…;

Isikan: Load Pattern Name = BM Klik Absolute Distance from End-I; Isikan: Distance = 3; Load = 1,5; Klik OK; 15)

Penetapan beban luar terbagi rata yang bekerja pada elemen: pilih elemen yang dimaksud; pilih menu Assign + Frame + Frame Loads + Distributed…;

Isikan: Load Pattern Name = BM Klik Absolute Distance from End-I; Isikan: Distance = 0; Load = 5; Distance = 3; Load = 5; Uniform Load = 8 Klik OK; Yulius Rief Alkhaly, ST., M.Eng Modul 1: Dasar ‐Dasar SAP2000

JTS –Unimal 2012

Hal: 41

16)

Menentukan derajat kebebasan dari jenis struktur yang akan analisis: pilih menu Analyze + Set Analysis Option;

Klik Plane Frame; Klik OK. 17)

Menentukan Load Case (kondsi beban) yang akan disertakan dalam analisis: pilih menu Analyze + Set Load Case to Run;

Pilih DEAD dan MODAL, klik Run/Do Not Run Case; Klik OK untuk mengakhiri; atau klik Run Now untuk eksekusi analisis. 18)

Menampilkan hasil analisis struktur dalam bentuk grafis: Display + Show Forces/Stresses + Frames/Cables


JTS –Unimal 2012

Hal: 42

Isikan: Case/Combo Name = BM atau KOMB01 Klik Momen 3-3 untuk menampilkan digram momen; atau Klik Shear 2-2 untuk menampilkan digram geser/lintang. Klik OK;


JTS –Unimal 2012

Hal: 43

19)

Menampilkan deformasi struktur dalam bentuk grafis: Display + Show Deformed Shape…


JTS –Unimal 2012

Hal: 44

2.

Balok beton bertumpuan sederhana dengan mutu beton f’c = 35 MPa dan mutu baja fy = 400 MPa

P = 4 kN q = 4 kN/m

q = 6 kN/m

55

As

50

30

3,0 m 6,0 m

MASIH PERLUKAH BELAJAR MEKANIKA REKAYASA DI ERA KOMPUTER? Komputer hanya merupakan alat bantu untuk mempercepat proses analisis, seluruh keputusan dan pertimbangan terhadap hasil analisis merupakan tanggung jawab pengguna. Dalam hal ini berlaku istilah GIGO (Garbage In, Garbage Out). Tiada satu program komputer-pun yang dapat menggantikan keahlian seseorang. Keahlian hanya dapat dicapai melalui pendidikan, pelatihan, dan pengalaman. Proses pendidikan umumnya mengajarkan dasar-dasar keilmuan yang bertujuan untuk meletakkan dasar kompetensi, sehingga dengan bekal tersebut dan ditambah pengalaman yang sesuai dibidangnya, maka akan membentuk intuisi keahlian seseorang.

Berikut dilampirkan bahan bacaan hasil tulisan saudara Wiryanto Dewobroto, semoga bermanfaat!


JTS –Unimal 2012

Hal: 45

Masih p erlukah mempelajari Mekanika Tekni k Klasik dalam Era Serba Kompu ter ? Wiryanto Dewobroto

[email protected] Jurusan Teknik Sipil - Universitas Pelita Harapan Lippo Karawaci - Banten Abstrak Mata kuliah Mekanika Teknik adalah salah satu mata kuliah wajib pendidikan S1 Teknik Sipil. Sebagian besar materi yang diberikan adalah metoda klasik dengan penyelesaian manual, metode matrik yang berbasis komputer juga diberikan tetapi umumnya terbatas pada masalahmasalah yang relatif sederhana yang dapat juga diselesaikan dengan cara manual. Sisi lain melihat perkembangan di dunia industri konstruksi yang nyata, ketersediaan program komputer untuk analisa struktur semakin canggih dan relatif semakin mudah digunakan. Menu pengoperasiannya sangat user-friendly seperti sistem operasi Windows yang umum dipakai. Untuk mendapatkannyapun sekarang ini juga relatif mudah, dari yang termahal sampai termurah ditawarkan, bahkan ada yang tersedia gratis di internet untuk dapat di down-load. Sehingga dalam prakteknya, khususnya di perusahaan konsultan perencanaan penggunaan program komputer untuk analisa struktur adalah mutlak. Akibatnya metoda-metoda klasik tertentu yang diajarkan di tingkat S1 tidak perlu digunakan dan bahkan sampai terlupakan. Melihat fenomena tersebut, masih perlukah mempelajari mekanika teknik klasik dalam era serba komputer seperti saat ini ? Tulisan ini mencoba mengungkapkan salah satu pengalaman dalam pembelajaran mekanika teknik klasik yang ternyata membantu mengidentifikasi suatu kesalahan dari hasil program komputer yang sebelumnya dianggap selalu reliable. Penulis menyimpulkan bahwa metoda mekanika teknik klasik merupakan salah satu cara yang relatif sederhana dan efektif untuk mengajarkan dasar-dasar mekanika teknik dan untuk melatih intuisi rekayasa atau engineering judgement yang diperlukan untuk mengevaluasi hasil dari program komputer canggih. Semakin canggih suatu program maka semakin kompleks pemahaman yang diperlukan untuk mengetahui apakah hasilnya betul atau salah.

Kata kunci : mekanika teknik, engineering judgement , mekanika klasik / berbasis komputer.

1 Pendahuluan Mata Kuliah Analisa Struktur yang sebelumnya bernama Mekanika Rekayasa dan pada waktu penulis belajar disebut Mekanika Teknik, merupakan salah satu mata kuliah utama dalam pendidikan sarjana teknik sipil di Indonesia. Dalam beberapa kasus, mata kuliah tersebut kadangkadang menjadi momok tersendiri bagi mahasiswa. Bagi insinyur sipil yang telah berkecipung didunianya, memang nyata bahwa pemahaman yang diperoleh dalam mata kuliah tersebut sangat membantu profesinya. Oleh karena itu menjadi tantangan para pengajar bagaimana memberikan pemahaman tentang mekanika melalui perkuliahan yang diberikan. Salah satu keengganan untuk mempelajari mekanika teknik klasik adalah adanya pameo atau anggapan bahwa nantinya “itu semua” dapat dikerjakan komputer. Kondisi tersebut tidak bisa disalahkan, memang perkembangan dunia komputer sangatlah pesat. Cukup banyak profesi yang diambil alih oleh adanya komputer. Cobalah cari mesin ketik manual, sudah jarang bukan. Istilah tutup buku yang dahulu umum dijumpai pada bank-bank, sehingga kantor terpaksa ditutup untuk umum, tetapi sekarang karena adanya komputer menyebabkan proses tersebut dapat dilakukan setiap saat sehingga tidak perlu waktu khusus. Akankah kemudian profesi kita, yang notabene adalah banyak berkecipung dengan proses hitungan juga digantikan oleh keberadaan komputer ? Komputer yang dimaksud tentunya adalah komputer yang dilengkapi piranti lunak untuk analisa struktur atau mekanika teknik. Apakah betul jika telah membeli atau mempunyai piranti yang dimaksud maka penyelesaian mekanika teknik secara otomatis diperoleh ?

Makalah dan presentasi di “Lokakarya Pengajaran Konstruksi Beton dan Mekanika Teknik”, Jurusan Teknik Sipil Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya, 13-14 Juli 2005

2

The Man Behin d The Gun

Pepatah “the man behind the gun” rasanya sesuai sekali untuk mengibaratkan keterkaitan “komputer” dan “insinyur” dalam permasalahan analisa struktur berbasis komputer. Untuk mendapatkan hasil yang optimal keduanya sangat berperan. Bahkan peranan “insinyur” adalah sangat dominan, bayangkan sebelum ditemukan komputer saja, sudah banyak bangunan konstruksi yang megah (rumit) dapat dengan sukses dibuat. Apakah sembarang orang yang dilengkapi “komputer” dapat secara otomatis menghasilkan sesuatu dan tidak memerlukan “insinyur” ? Untuk membahas itu, penulis sekali lagi ingin mengutip beberapa disclaimer yang menyertai setiap program komputer teknik sipil sebagai berikut : … The program has been thoroughly tested and used. In using the program, however, the user accepts and understands that no warranty is expressed or implied by the developers or the distributors on the accuracy or the reliability of the program. The user m ust explicitly understand the assumptions of the program and must independently verify the results. SAP2000 - Computers and Structures, Inc. , Berkeley, California, USA CA&SI does not guarantee the correctness or usefulness of the resul ts obtained using PCGLSS, CA&SI is not liable for any conclusion or actions based on the result. It is the responsibility of the user to confirm the accuracy and usefulness of the results. ANSYS – Com put atio nal A ppl icat ion s and Syst em Int egrat io n Inc ., Urbana, IL , USA The Georgia Tech Research Corporation (GTRC) and the Georgia Institute of Technology make no representation or warranty expressed or implied as to the adequacy of this documentation or the software described herein. In no event shall the Georgia Tech Research Corporation, or the Georgia Institute of Technology, their employees, their contractors, or the authors of this documentation be liable for special, direct, indirect, or consequential damages,losses, costs, charges, claims, demands, or claim for lost profits, fees, or expenses of anynature or kind. GTSTRUDL - Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia, USA

Membaca pernyataan-pernyataan seperti diatas, secara jelas dapat ditangkap bahwa hasil-hasil program komputer tidaklah dapat berdiri sendiri, tetapi harus didampingi oleh “seseorang yang berkopeten” atau “yang mau bertanggung jawab” atas output program tersebut. Untuk menghasilkan “seseorang yang berkopeten” atau sebutlah “insinyur” maka dapat dilakukan melalui “pelatihan / pendidikan” dan “pengalaman”. Proses pendidikan umumnya mengajarkan “konsep-konsep dasar” dan juga ketrampilan, dan jika ditunjang pengalaman yang baik dan selalu melakukan evaluasi atas hasilnya maka akhirnya dapat diperoleh “mental” atau “intuisi” yang baik. Sehingga akhirnya terbentuklah kompetensi seseorang. Pendidikan mekanika teknik klasik pada tingkat S1 menurut penulis adalah suatu langkah yang relatif sederhana dan efektif yang dapat memberikan wawasan lain untuk akhirnya membentuk kompetensi seseorang calon insinyur.

3 Problem Stabilitas Pada Rangka Batang Kompl eks Untuk menunjukkan bagian-bagian mana yang dapat membentuk kompentensi tentulah cukup sulit / sukar dan mungkin tidak dapat dijawab secara tuntas. Untuk itu penulis ingin berbagi pengalaman dalam permasalahan stabilitas suatu rangka batang kompleks, dimana pengetahuan mekanika teknik klasik dapat mengevaluasi dan menentukan bahwa suatu hasil komputer adalah salah meskipun program komputer tersebut sebelumnya dianggap sangat reliable. Stabilitas struktur adalah suatu hal yang penting, bahkan dapat dikatakan sangat penting. Struktur yang tidak stabil tidak bisa digunakan sebelum dilakukan perubahan sistem yang menyebabkan struktur menjadi stabil. Oleh karena itu mengetahui suatu struktur stabil atau tidak merupakan hal yang penting dan harus diketahui sebelum melakukan analisa struktur. Untuk struktur rangka batang (truss) dengan sistem batang berbentuk segi-tiga maka kriteria stabil dapat ditetapkan berdasarkan hal-hal berikut: • •

Memenuhi rumus M + R ≥ 2 J , dimana M = batang , J = nodal dan R = reaksi tumpuan Cara Inspeksi Stabilitas Internal : geometri rangka harus berbentuk segitiga. o Stabilitas Eksternal : Orientasi dan jenis tumpuan (Concurent dan Paralel) o

Wiryanto Dewobroto – Masih Perlukah Mempelajari Mekanika Teknik Klasik dalam Era Serba Komputer ?

2

Catatan Khusus : Untuk struktur rangka batang majemuk ( compound truss) dan rangka batang kompleks (complex truss) diperlukan cara khusus.

Identifikasi jenis struktur rangka batang yang dianalisis, yaitu rangka batang biasa, majemuk atau kompleks, merupakan suatu hal harus dikuasai terlebih dahulu untuk dapat mengidentifikasi masalah stabilitas rangka batang dengan cara klasik. Contoh rangka batang majemuk yang tidak stabil :

a). Tanpa Beban

b). Diberi Beban

Gambar 1. Ketidak-stabilan Rangka Batang Majemuk

Ketidak-stabilan kinematik di atas dapat dilihat secara visual (penampakan), tetapi untuk struktur rangka batang kompleks banyak diantaranya yang tidak dapat dilihat secara visual, misalnya :

a). Stabil

b). Tidak Stabil

a). Stabil

b). Tidak Stabil

c). Stabil

d). Tidak Stabil

Gambar 2. Ketidak-stabilan Rangka Batang Kompleks

Seperti diketahui bahwa analisa rangka batang kompleks cara klasik tidak bisa diselesaikan dengan cara keseimbangan titik buhul (metoda joint) maupun cara keseimbangan global (metode potongan) tetapi memerlukan metode khusus yaitu “cara tukar batang”, bilamana dengan metode itupun tidak diperoleh penyelesaian maka dapat diperkirakan bahwa rangka batang kompleks tersebut adalah struktur yang tidak stabil. Jadi tahapan yang diperlukan untuk analisa ketidak-stabilan rangka batang kompleks adalah tahapan yang sekaligus bersamaan dengan penyelesaian gaya-gayanya. Solusi analisa struktur berbasis komputer yaitu metoda matrik dapat secara otomatis mendeteksi adanya ketidak-stabilan kinematik, karena kondisi tersebut menyebabkan matrik kekakuannya menjadi singular sehingga tidak diperoleh penyelesaian atau analisis berhenti ditengah jalan. Dengan demikian ada suatu tanda bahwa “ada sesuatu” dengan struktur tersebut.

4 Progr am Cangg ih , tetapi DAPAT menyesatk an !! Dalam perkembangan lebih lanjut mengenai masalah stabilitas , penulis mendapatkan pengalaman pemakaian program komputer yang menghasilkan sesuatu yang dapat menjerumuskan bila dipakai dalam kasus nyata. Hal itu dapat terjadi khususnya pada program analisa struktur yang terbaru yang mempunyai kemampuan analisa non-linier. Catatan : analisa struktur yang umumnya digunakan


3

dan diajarkan pada tingkat S1 pada umumnya adalah analisa struktur elastis linier. Program komputer yang mempunyai kemampuan analisa struktur non-linier biasanya digunakan untuk analisa keruntuhan struktur yang mempunyai perilaku non-elastis dan non-linier. Pada daerah keruntuhan tersebut matrik kekakuan struktur yang terbentuk bernilai nol (horizontal), kondisi tersebut mempunyai sifat seperti matrik singular jadi dengan metoda numerik yang digunakan tidak diperoleh penyelesaian. Agar dapat menyelesaikan problem tersebut maka pembuat program akan menyertakan option-option penyelesaian numerik yang canggih. Hanya saja kadang-kadang option tersebut terlalu “canggih”, seperti misalnya program mempunyai kemampuan mengatur sendiri sesuatu secara otomatis agar dapat memberikan solusi bagi penyelesaiannya. Maksudnya mungkin baik, yaitu agar pemakai komputer mendapatkan banyak kemudahan. Walaupun kadangkadang kecanggihan tersebut tidak membantu tetapi bahkan menjerumuskan. Tentu saja yang dapat terjerumus adalah para insinyur yang hanya mempunyai kemampuan sebagai operator dan tidak melengkapi dirinya dengan kemampuan mengevaluasi apakah hasil penyelesaian komputer tersebut benar atau masih mengandung kesalahan , walaupun program berjalan mulus dan memberikan penyelesaian seperti biasa. Untuk contoh kasus yang mendukung pernyataan diatas , akan dibahas solusi suatu masalah menggunakan program komputer yang cukup terkenal bagi para insinyur sipil yaitu SAP2000. Keandalan program tersebut sudah terbukti lama , yaitu lebih dari 30 tahun sejak dikembangkan pertama kali sekitar tahun 1970 dan sudah banyak versi yang dikeluarkan. Tentu saja versi-versi tersebut dimaksudkan agar program tersebut selalu up-to-date dengan perkembangan ilmu yang terkini. Tetapi dalam praktek , pemakaiannya setiap versi belum tentu sama keandalannya. Penulis akan menggunakan program SAP2000 tetapi dengan versi yang berbeda, yaitu versi 7.4.0 dan versi 8.3.5 untuk menyelesaikan satu kasus rangka batang yang sama.

25 t

125 t

125 t

Kasus A

125 t

Kasus B

Gambar 3. Kasus Rangka Batang dengan Masalah Ketidak-Stabilan

Yang pertama , menyelesaikan Kasus A (beban tidak simetri), hasilnya : SAP2000 versi 7.4.0

SAP2000 versi 8.3.5

***ERROR*** ZERO STIFFNESS FOUND DURING SOLUTION FOR DOF UZ OF JOINT 45 LOCATED AT X = 6.000000, Y = .000000, Z = .000000, THE STRUCTURE IS UNSTABLE OR ILL-CONDITIONED

***WARNING*** THE STRUCTURE IS UNSTABLE OR ILL-CONDITIONED !! CHECK THE STRUCTURE CAREFULLY FOR : … L I NE A R S T A T I C C AS E S

IMMEDIATELY FATAL ERROR - ANALYSIS TERMINATED USING STIFFNESS AT ZERO (UNSTRESSED) INITIAL CONDITIONS A N A L Y S I S I N C O M P L E T E ! ! TOTAL NUMBEROF CASES TO SOLVE = NUMBEROF CASES TO SOLVE PER BLOCK = LINEAR STATIC CASES TO BE SOLVED: CASE: LOAD1

1 1

AN A L Y S I S C O M P L E T E

Ternyata penyelesaian struktur Kasus A , kedua versi program SAP2000 dapat memberi pesan atau warning yang sama yaitu :

THE STRUCTURE IS UNSTABLE OR ILL-CONDITIONED


4

Meskipun demikian keduanya selanjutnya memberikan penyelesaian yang sangat berbeda, jika versi 7.4.0 setelah pesan tersebut program kemudian berhenti, sedangkan versi 8.3.5 ternyata masih dapat melanjutkan analisa dan mampu secara otomatis memberikan solusi sendiri untuk mengatasi kondisi yang disebutkan dalam warning di atas, kemudian menampilkan hasilnya, sebagai berikut :

Gambar 4. Deformasi dan Reaksi Tumpuan Struktur A dari SAP2000 versi 8.3.5

Jadi bila tidak hati-hati, tidak ada evaluasi secara benar dan bijak maka jelas penyelesaian yang diberikan oleh SAP2000 versi 8.3.5 untuk Kasus A adalah SALAH. Salah satu cara sederhana untuk mengechek hasil tersebut adalah dengan melihat persyaratan kesetimbangan yaitu Σ gaya aksi (beban) = Σ gaya reaksi. Pada reaksi tumpuan terlihat bahwa F1 adalah gaya reaksi horizontal dan F3 adalah gaya reaksi vertikal, sehingga : Σ F1

= F1kiri + F1kanan = - 63.39 + 206.24 = 142.85

Σ F3

= F3kiri + F3kanan = 27.89 + 130.77 = 158.66

≠ Σ gaya

≠ Σ gaya

aksi horizontal yaitu 0.

aksi vertikal yaitu 25 + 125 = 150.

Dengan demikian terbuktilah bahwa penyelesaian Struktur A dengan program SAP2000 versi 8.3.5 tidak memenuhi persyaratan keseimbangan yang menjadi dasar dari analisa statik tersebut. Kebetulan problem tersebut dapat mudah dilacak dengan persyaratan keseimbangan, meskipun demikian pada suatu kondisi beban yang khusus ketidak-benaran hasil sulit dideteksi, sebagai contoh struktur Kasus B, yaitu struktur yang sama dengan struktur Kasus A tetapi diberi beban yang simetri. Struktur tersebut selanjutnya dianalis dengan kedua versi program seperti struktur Kasus A, hasilnya ternyata memberi pesan sama seperti kasus sebelumnya, yaitu program versi 7.4.0 gagal memberi penyelesaian , sedangkan versi 8.3.5 sukses memberi hasil penyelesaian sebagai berikut :

Gambar 5. Deformasi dan Reaksi Tumpuan Struktur B dari SAP2000 versi 8.3.5

Dari tampilan hasil tidak ada yang mencurigakan dan apabila di chek dengan persamaan keseimbangan seperti yang dilakukan pada kasus A maka : Σ F1

= F1kiri + F1kanan = - 226.48 + 226.48 = 0 sama dengan Σ gaya aksi horizontal yaitu 0.

Σ F3

= F3kiri + F3kanan = 125 + 125 = 250 sama dengan

Σ gaya

aksi vertikal yaitu 125 + 125 = 250.

Jadi reaksi tumpuan yang ditampilkan memenuhi persamaan keseimbangan. Apakah dengan demikian hasil program komputer di atas telah benar ? Dari kasus diatas dapat disimpulkan mengapa dalam perencanaan perlu ditinjau berbagai kombinasi pembebanan yang mungkin terjadi, yaitu untuk mendapatkan kondisi pembebanan yang paling menentukan. Kecuali dengan engineering judgement yang terasah dengan baik atau telah membandingkan dengan program yang lain yang masih standar maka ketidak-benaran hasil program komputer tersebut dapat terdeteksi. Hati-hati dengan yang dimaksud sebagai program “standar”, pengalaman penulis meskipun sudah dibandingkan dengan program komputer SAP2000 yang terbaru yaitu


5

versi 9.0.3 , tetapi hasilnya masih sama dengan versi 8.x.x ! Tetapi standar dalam arti memakai metode matrik yang banyak diajarkan dalam tingkat S1 maka hasilnya sama dengan metoda klasi k.

Gambar 6. Hasil Metoda Matrik Standar (Wiryanto Dewobroto, 2003)

Jadi !!??, Tinggal mengandalkan engineering judgement , apa yang dimaksud dengan istilah tersebut. Didalam perkuliahan, baik tingkat sarjana maupun pascasarjana , rasanya tidak diajarkan mata kuliah seperti itu, lalu apa dan bagaimana ? Istilah engineering judgement penulis dapatkan dari buku manual SAP90 (Wilson-Habibullah, 1992) yaitu versi awal program SAP2000. Prof Wilson menyatakan dalam buku tersebut sebagai berikut : … No computer program can replace the engineering judgment of an experienced engineer. It is w ell said that inc apable engineer cannot do wi th a ton of com puter output what a good engineer can do on the back of an envelope. . . . Verification of unexpected results needs a good understanding of the basic assumptions and mechanics of the program.

Prof. E.L.Wilson pembuat program SAP saja tidak memberi rekomendasi bahwa programnya pasti dapat menyelesaikan sesuatu dengan pasti, tetapi masih memerlukan kepiawaian dari engineernya. Selanjutnya menurut pengertian penulis, yang dimaksud engineering judgement merupakan suatu intuisi atau feeling yang diperoleh berdasarkan pengalaman atau latihan-latihan dengan melakukan pengamatan antara perilaku model dengan perilaku sebenarnya. Pendidikan dasar teknik di S1 dengan memberikan perkuliahan analisa struktur yang masih memerlukan solusi manual (hitungan tangan) merupakan salah satu cara dalam mengasah intuisi calon-calon insinyur teknik sipil.

5 Kesimpulan Mekanika teknik klasik, meskipun sudah jarang dipakai dalam dunia kerja (konsultan rekayasa) tetapi keberadaannya tetap diperlukan khususnya pada ti ngkat pendidikan rekayasa dasar (S1) yaitu sebagai metode alternatif cara manual yang dapat digunakan sebagai pembanding bagi metode canggih berbasis komputer yang relatif lebih kompleks. Komputer adalah teknologi yang sangat membantu, tetapi keberadaannya hanya tool atau alat saja. Efektif tidaknya tergantung dari kompetensi insinyur yang menggunakannya.

6 Daftar Pustaka 1. Edward L. Wilson and Ashraf Habibullah. (1992). “SAP90 A Series of Computer Programs for the Finite Element Analysis of Structures : STRUCTURAL ANALYSIS USERS MANUAL”, Computer and Structures, Inc., Berkeley, California 2. Hibbeler, R.C. (1997). “Structural Analysis 3 rd Ed.”, Prentice Hall International, Inc. 3. Wiryanto Dewobroto. (2003). “Aplikasi Sain dan Teknik dengan Visual Basic 6.0” , PT. Elex Media Komputindo, Jakarta 4. Wiryanto Dewobroto. (2004). “Aplikasi Rekayasa Konstruksi dengan SAP2000”, PT. Elex Media Komputindo, Jakarta


6

RESIKO OTOMATISASI KOMPUTER PADA PERANCANGAN STRUKTUR STUDI KASUS : ANALISIS DAN DESAIN STRUKTUR BALOK BAJA Wiryanto Dewobroto , Wawan Chendrawan

1 PENDAHULUAN Produk teknologi berbasis komputer semakin canggih dan terjangkau. Di bidang rekayasa, banyak ditawarkan structural analysis program (SAP) dan banyak dipakai secara sukses pada proyek-proyek perancangan konstruksi yang berskala besar dan kompleks. Jadi tidak heran jika SAP menjadi andalan banyak insinyur dalam penyelesaian pekerjaan rekayasa. Adanya artikel-artikel bagus yang bahkan berkesan promosi (Habibullah and Morris 2009), juga tersedianya opsi otomatis pada proses analisis dan desain menyebabkan banyak yang awam atau bahkan insinyur muda beranggapan bahwa teknologi SAP berbasis komputer adalah lebih dari sekedar alat. Bahkan dianggap dapat menggantikan insinyur, jelas ini perlu diwaspadai. Pada perancangan struktur misalnya, ada proses analisis struktur dan desain penampang, yang pada dasarnya adalah dua proses berbeda, baik ditinjau dari sisi tujuan maupun strategi pelaksanaannya. Proses perancangan struktur umumnya dikerjakan secara trial-and-error agar optimum. Jadi, tersedianya structural analysis program (SAP) komersil yang dapat melakukan keduanya secara sekaligus, tentu sangatlah membantu. Penggunaan SAP berbeda jika dibandingkan program komputer umum, seperti Photoshop, AutoCAD, atau MS-Word. Program komputer umum hasilnya memang lebih mudah dicerna oleh indera dan langsung dapat digunakan. Sedangkan jika memakai SAP, hasilnya bisa saja menjadi tidak bermakna jika terbukti berbeda dengan fakta di lapangan. Itu mungkin terjadi karena yang diproses SAP hanya model struktur dan bukan struktur sesungguhnya (real). Model struktur pada dasarnya hanyalah hasil interprestasi insinyur berdasarkan pengetahuannya tentang perilaku struktur real yang ditinjaunya. Oleh karena itu bisa terjadi interprestasinya tidak tepat, sehingga diawal seperti terlihat baik dan benar, tetapi t ernyata pada akhirnya menjadi sia-sia karena hasil komputer tidak sesuai dengan perilaku struktur yang terjadi sesungguhnya di lapangan. Dengan pemikiran seperti itu, maka wajar jika pada manual SAP2000 dan ETABS tersirat bahwa pembuatnya cukup percaya diri menyatakan programnya „baik‟, tapi di sisi lain tetap tetap tidak berani menjamin bahwa tiap orang dapat memakai dan hasilnya langsung pasti „baik‟. Sebagaimana terbaca pada Kutipan-1 berikut : The design / check of steel frames is s eamless ly integ rated within the program. . . . The programs are very practical tools for the desi g n / check of structures. However the user must thoroughly read the manuals and must clearly recognize the aspects of design that the program algorithms do not address. The user must explicitly understand the assumptions of the programs and must independently verify the results.(CSI 2007)

Seminar dan Pameran Haki 2010 -

“

”

Perkembangan dan Kemajuan Konstruksi Indonesia

1

Kutipan-1 dapat diartikan bila ternyata hasilnya „tidak baik‟ maka itu adalah tanggung jawab pemakai (user ) dan bukan tanggung jawab pembuatnya. Itu juga berarti bahwa insinyurnya selain harus mampu menggunakan SAP secara produktif, juga wajib memahami karakter program yang akan dipakai, serta mampu melakukan verifikasi secara mandiri. Suatu pernyataan yang mudah untuk dikatakan tetapi tidak mudah untuk dilaksanakan. Bagaimanapun juga disadari bahwa program SAP komersil, seperti SAP2000 atau ETABS, merupakan produk canggih, yang mengadopsi kemajuan teknologi numerik terkini. Adapun di sisi lain, insinyur pemakai umumnya awam terhadap perkembangan teknologi numerik terkini, dan hanya berbekal pengetahuan yang diperoleh pada level S1. Oleh karena itu, hanya insinyur yang aktif terus menerus belajar, yang dapat memenuhi persyaratan itu. Dewobroto (2010) menunjukkan bahwa perancangan struktur balok baja dengan SAP2000 tidak bisa diserahkan secara penuh pada komputer, pada beberapa kasus masih perlu campur tangan manual insinyur agar hasilnya sesuai harapan. Jadi jika mengandalkan opsi otomatis maka bisa saja pada suatu kasus hasilnya overdesign (boros), tetapi pada kasus yang lain underdesign (berbahaya). Untuk mengetahui lebih lanjut, kasus tersebut akan dikembangkan dan dievaluasi memakai dua program berbeda SAP2000 dan ETABS.

2 PROSES ANALISIS-DESAIN YANG MENYATU (SEAMLESSLY) Meskipun disebutkan bahwa proses analisis dan desain seakan-akan menyatu (seamlessly ) dan terintegrasi (CSI 2007), tetapi pada dasarnya keduanya berbeda, baik ditinjau dari sisi tujuan atau strategi pelaksanaannya. Kalaupun bisa dianggap menyatu maka tentu ada penghubungnya. Jika itu benar maka penghubung yang dimaksud tentu hanya benar pada suatu batasan tertentu. Dari ketentuan desain yang baku (AISC 2005) penghubung yang dimaksud umumnya disusun dari fakta empiris yang diolah berdasarkan kriteria statistik, bahkan ada yang berupa kesepakatan bersama berdasarkan engineering judgement saja. Analisa struktur untuk desain struktur baja biasanya cukup dengan metode elastik-linier (first order analysis), kalaupun non-linier masih pada kondisi elastis ( second order analysis). Adapun pada desain penampang yang menerapkan konsep limit state design (LRFD 2005), tahapan evaluasinya mencakup kondisi elastis-linier maupun kondisi inelastik non-linier sekaligus. Itu diperlukan untuk menjamin hasilnya aman dan dapat dipakai. Satu hal penting pada proses desain penampang balok baja, tetapi diabaikan pada proses analisis struktur adalah tentang stabilitas. Pada balok baja, stabilitas yang dimaksud adalah lateral torsional buckling (LTB), lihat Gambar 1. Untuk itulah dalam perancangan balok baja, sang insinyur harus memastikan adanya pertambatan lateral yang cukup pada bagian profil baja yang mengalami desak, bisa berupa cross-frame atau diaphragma khusus (Segui 2007). Cara yang lain bisa juga sayap profil balok bajanya disatukan dengan lantai, yaitu jika memakai steel deck yang di las ke profilnya. Untuk mengukur efektifitas pertambatan lateral dari sistem tersebut diperlukan engineering judgement (McCormac 2008).


“

”


2

Gambar 1 LTB balok dengan pertambatan lateral di tumpuan (Salmon et. al. 2009) Jika pemodelan struktur tidak memperhitungkan adanya pertambatan lateral ( crossframe atau diaphragma), maka data desain tentang lokasi pertambatan lateral perlu diberikan. Ini adalah prosedur umum di masa lampau. Pada kenyataannya, sekarang didapati bahwa proses desain dapat berlangsung hanya didasarkan pada data analisis struktur yang diberikan, tanpa ada data tambahan. Itu dimungkinkan karena adanya opsi Steel Frame Design Preferences yang selanjutnya disebut design-preference (CSI 2007). Opsi tersedia otomatis dan memang membuat SAP2000 atau ETABS lebih userfriendly dan praktis, sehingga menjadi salah satu alasan penting mengapa produk tersebut tetap dipilih. Kutipan-2 dari manual (CSI 2007) menarik untuk dibaca : The Steel Frame Design Preferences are basic assignments that apply to all of the steel frame members. . . . Default values are provided for all preference items. Thus, it is not neces s ary to s pecify or chang e any of the preferences. However, at least review the default values to ensure they are acceptable. Kutipan-2 meyakinkan kita bahwa design-preference yang ada sudah lengkap, tidak perlu dirubah. Padahal kalimat selanjutnya meminta insinyur tetap melakukan review ulang. Bagaimanapun juga, design-preference menawarkan kemudahan dan kepraktisan sehingga insinyur cenderung memakainya untuk setiap kasus. Apalagi jika pemakainya (user ) masih belum mandiri dan tidak terlalu menguasai segi perancangan struktur secara mendalam. Pada kenyataannya, proses review tidaklah mudah sehingga dipasrahkan saja pada default design settings. Perancangan otomatis seperti itu cukup beresiko, hasilnya bisa berlebihan (overdesign), bisa juga berbahaya karena tidak mencukupi (underdesign).


“

”


3

3 HIPOTESIS Pada penulisan kode program komputer agar analisis-desain-nya bersifat seamlessly , maka bisa saja terjadi bahwa kode langkah-langkah yang disiapkan programmer tidak dapat bekerja dengan baik karena input data yang disiapkan pemakai tidak sesuai. Ketaksesuaian akibat adanya variasi pemodelan struktur yang beragam, bisa juga akibat adanya faktor engineering judgement yang bersifat subyektif. Masalah akan timbul jika kekurangan data-data tersebut langsung diambil alih oleh default design settings yang menanganinya secara otomatis. Kondisi yang mengkhawatirkan tersebut dapat diatasi jika insinyur waspada dan mengetahui potensi-potensi yang dapat menyebabkan kondisi buruk tersebut terjadi.

Gambar 2 Jarak Bebas Tidak Tertambat Lb dan kaitannya dengan L33 and L22 (CSI 2007) Pada balok baja, parameter yang berkaitan dengan LTB adalah L b atau jarak bersih tanpa adanya pertambatan lateral. Manual program (CSI 2007) menyatakan (Kutipan-3) : In determining the values for L 22 and L33 of the members, the program recognizes various aspects of the structure that have an effect on these lengths, such as member connectivity, diaphragm constraints and support points. The prog ram automatically locates the member support points and evaluates the corresponding uns upported leng th. . . . By default, the unsupported length for lateral-torsional buckling, L b, is taken to be equal to the L22 factor. Kutipan-3 akan ditanggapi lega oleh awam yang beranggapan bahwa program SAP dapat secara otomatis menentukan L b yang dimaksud, sehingga tidak perlu ada data tambahan. Tetapi bagi insinyur yang paham bahwa parameter L b dan Cb menentukan kekuatan lentur balok (lihat Gambar 3) tentu mempunyai pertanyaan. Kondisi seperti apa dari model yang menentukan parameter tersebut, dan apakah itu sesuai dengan kemauan pemakainya.


“

”


4

Gambar 3 Pengaruh Lb dan Cb terhadap Kuat Lentur Balok Baja (Salmon et. al. 2009) Padahal untuk menentukan apakah kondisi pertambatan lateralnya memadai atau tidak, kadang perlu engineering judgement (McCormac 2008) yang subyektif. Lagi-lagi manual (CSI 2007) tidak memberi penjelasan detail, meskipun ada sedikit petunjuk ( Kutipan-4): The preferred method is to model a beam, column or brace member as one s ing le element . . . . If the member is manually mes hed (broken) into seg ments, maintaining the integrity of the desi g n alg orithm becomes difficult. Dari kutipan di atas, tersirat bahwa algoritma program juga mempunyai keterbatasan. Ada ketentuan khusus yang harus dipahami dan diikuti, dimulai dari pemodelan struktur untuk analisis sampai desain agar prosesnya dapat berlangsung seamlessly.

4 STRATEGI UNTUK EVALUASI KINERJA S OF TWA R E PERANCANGAN Menemukan sesuatu yang akan menjadi potensi masalah ( bug ) pada program komputer, tidaklah mudah. Bug yang berkaitan dengan strategi pemakaian, tidak serta-merta ketemu. Itulah alasannya mengapa developer program profesional selalu meng- updated versi baru. Untuk solusinya, akan meniru cara mengevaluasi kualitas mutu beton : ambil satu kecil sampel untuk dievaluasi. Tidak menjadi masalah, apakah sampelnya tidak bisa serta merta mewakili kemampuan program secara keseluruhan. Tetapi jika terbukti ada masalah, maka itu akan dijadikan petunjuk berikutnya. Untuk menghindari kesalahan akibat sampel acuan, maka digunakan kasus-kasus yang telah t erpublikasi luas, diambil dari Vinnakota (2006), McCormac (2008) maupun Salmon et.al (2009).


“

”


5

5 STUDI KASUS PERANCANGAN OTOMATIS BALOK BAJA (AISC LRFD) 5.1 Umum Sebagian besar metoda yang digunakan untuk analisis struktur adalah elastis-linier yang dapat dikerjakan jika persyaratan stabilitas dipenuhi. Sedangkan proses desain penampang juga memperhitungkan kondisi elastis-linier maupun inelastis-nonliner, termasuk masalah stabilitas juga, yang mana untuk menentukan data-datanya yang tepat perlu pertimbangan berdasarkan engineering judgement (McCormac 2008), yang bersifat subyektif. Dengan melihat bagaimana program SAP2000 dan ETABS menyelesaikan kasus yang ditinjau, maka subyektifitas pemrogramnya dapat dipelajari.

5.2 Balok dengan pertambatan lateral penuh (Mc Cormac 2008 hal. 269) Kasus 1 diambil dari Example 9-2 (Mc Cormac 2008 p.269) : balok profil baja W24 x 62, mutu Fy = 50 ksi, kondisi terkekang sempurna (L b = 0), beban mati merata tambahan w D = 1.5 k/ft, berat sendiri dihitung, beban hidup terpusat P L = 30 kips di B, penyelesaian memakai cara LRFD dari AISC 360-05 / IBC 2006 (AISC 2005). Dari Load Factor Design Selection Table untuk profil W24 x 62 Fy = 50 ksi diperoleh bMp =

574 kip-ft ;

bMr =

393 kip-ft ; L p = 4.9 ft; Lr = 13.3 ft

Ditinjau 5 (lima) model struktur balok dengan perincian sebagai berikut : 1. 2. 3. 4.

Model 1 element : panjang segmen L= 30 ft > Lr = 13.3 ft (elastis) Model 4 element : panjang segmen L p= 4.9 ft < L= 7.5 ft < Lr = 13.3 ft (inelastis) Model 10 element : panjang segmen L= 3.0 ft < L p= 4.9 ft (plastis) Model 4 element dengan link penghubung. Model ini pada dasarnya adalah menempatkan dua model 4 element yang disejajarkan dan dihubungkan dengan LINK. 5. Model 10 element dengan link penghubung. Model ini pada dasarnya adalah menempatkan dua model 10 element yang disejajarkan dan dihubungkan dengan LINK. LINK adalah element yang menghubungkan secara aksial ke dua balok pada arah samping (lihat Gambar 4e / 4f), lokasinya ditempat yang umum ada cross-frame atau diaphragma. Agar hanya terhubung secara aksial, maka element diberi kekakuan aksial saja sehingga pada properti penampang ditetapkan A link = 1 , sedang properti yang lain nol. Dengan asumsi di atas, maka tentunya balok tetap saja terpuntir bila terjadi instabilitas. Jadi jika ditinjau keseluruhan berdasarkan engineering judgement mestinya penempatan LINK tersebut tidak berpengaruh pada pertambatan lateral. Apalagi penempatannya tidak pada sayap desak tetapi pada sumbu as balok. Jadi element LINK yang dipasang sebenarnya hanya dummy (tidak ada gunanya). Ternyata komputer menganggapnya lain, element LINK tidak dianggap dummy , sehingga hasil desain komputer sama seperti acuan desain.


“

”


6

z P L = 30 k

x A

w D = 1.5 k/ft C

B

15 ft

15 ft

z

a). Pembebanan Balok

y 6

x

1

7

5

6

7

8

8

10

8

LINK (typ)

2 1

1

2

1

2

4

3

5

4

3

b). Model 1 Element

15 ft

e). Model 4 Element dengan LINK penghubung

4 @7.5 ft = 30 ft 1

2

3

1

4

2

15 ft

5

3

4

c). Model 4 Element

z

y

12 11

12 13

x

13 14

14 15

15 16 17 18 19 20 16 17 1 8 19 20 21

22

LINK (typ) 1

1

2 2

3 3

4 4

5 5

5@ 3 ft =15 ft

6

7 7

6

8 8

9 9

10

11

1

1 2

3 2

10

5@ 3 ft =15 ft

4 3

5 4

6 7 8 9 10 10 5 6 7 8 9

5@ 3 ft =15 ft

d). Model 10 Element

11

5@ 3 ft =15 ft

f). Model 10 Element dengan LINK penghubung

Gambar 4. Balok Kasus-1 dan model-model penyelesaiannya (Dewobroto 2010) Model balok di atas di desain ulang memakai opsi otomatis program SAP2000 dan ETABS. Hasilnya disajikan dalam Tabel 1 berikut. Tabel 1 Desain Otomatis Balok W24 x 62 dengan Pertambatan Lateral Penuh No

Materi Desain

Mu

Cb

Lfactor

kips-ft

1

Manual (McCormac 2008)

2

Model 1 element

3

Model 4 element

4

Model 10 element

5

Model 4 element + Link

6

Model 10 element + Link

570.80 570.86 570.84 570.86 570.84 570.86 570.84 570.86 570.84 570.86 570.84

R

%

0.994 4.099 4.101 5.096 0.995 5.096 0.995 0.995 0.995 0.995 0.995

100% 412% 410% 512% 100% 512% 100% 100% 100% 100% 100%

Mn

Keterangan

kips-ft

1.24 1.24 1.00 1.17 1.00 1.06 1.17 1.17 1.06 1.06

1 1 4 4 10 10 4 4 10 10

574.00 139.28 139.19 112.02 573.75 112.02 573.75 573.75 573.75 573.75 573.75

Acuan desain SAP2000 ver 11 ETABS ver 9.2 SAP2000 ver 11 ETABS ver 9.2 SAP2000 ver 11 ETABS ver 9.2 SAP2000 ver 11 ETABS ver 9.2 SAP2000 ver 11 ETABS ver 9.2

Catatan : R adalah ratio dari M u : Mn

5.2 Balok dengan pertambatan lateral terbatas (Vinnakota 2006 hal. 566) Hasil Kasus-1 seakan-akan menunjukkan program ETABS lebih baik dibanding SAP2000. Oleh karena itu perlu ditinjau Kasus-2 dari Example 10.4.4 (Vinnakota 2006) yaitu dalam mengestimasi beban terpusat maksimum ditengah balok dengan profil W24 x 76, mutu A588 Fy = 50 ksi, dengan pertambatan lateral hanya di tumpuan, berat sendiri diabaikan. Solusi desain memakai cara LRFD dari AISC 360-05 / IBC 2006 (AISC 2005).


“

”


7

z P L max ?

x A

1

C

B

Lb = 15ft

2

1

Lb = 15 ft

30 ft

a). Lateral support: finished structure

c). Model 1 Element

P L max ? B

A

1

2

1

Lb = 30 ft

15 ft

b). Lateral support: construction stage

2

3

15 ft

d). Model 2 Element

Gambar 5 Balok Kasus-2 dan model-model penyelesaiannya Dengan cara sama seperti yang dilakukan pada Kasus-1, yaitu desain otomatis memakai opsi design preference dan selanjutnya hasilnya disajikan dalam Tabel 2 berikut : Tabel 2. Desain Otomatis Balok W24x76 dengan Pertambatan Lateral Terbatas No 1

Object Construction stage Model 1 element

3

Model 1 element

4

Model 1 element

5

Model 1 element

6

Model 2 element

7

Model 2 element

8

Model 2 element

Mu

kips

kips-ft

62.5 26.0 62.5 26.0 62.5 26.0 62.5 26.0 62.5 26.0 62.5 26.0 62.5 26.0 62.5 26.0

Finished structure

2

PL

750 312 750 312 750 312 750 312 750 312 750 312 750 312 750 312

Cb

Lfactor

Mn

R

%

Keterangan

1.00 1.00 2.45 1.02 2.45 1.02 2.41 1.00 5.82 1.00 3.22 1.34 1.00 0.42 1.00 0.42

100% 100% 245% 102% 245% 102% 241% 100% 582% 100% 322% 134% 100% 42% 100% 42%

Acuan desain (Vinnalota 2006)

kips-ft

1.67 1.32 1.32 1.32 1.32 1.32 1.32 1.32 1.32 1.32 1.00 1.00 1.67 1.67 1.67 1.67

1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 1 1

750 312 306 306 306 306 311 311 311 311 233 233 750 750 750 750

SAP2000 ver 11 AISC-LRFD-99 SAP2000 ver 11 AISC-360-05 ETABS ver 9.2 AISC-LRFD-99 ETABS ver 9.2 AISC-360-05 SAP2000 ver 11 AISC-360-05 ETABS ver 9.2 AISC-LRFD-99 ETABS ver 9.2 AISC-360-05

Catatan : nilai Cb berbeda pada kondisi pertambatan lateral yang berbeda. R adalah ratio dari M u : Mn 



5.3 Balok dan kantilever pertambatan lateral terbatas (Salmon et.al 2009) Kasus-2 dari Example 9.9.3 (Salmon et.al 2009 p.455) : profil W33 x 118, mutu F y = 50 ksi, kekangan lateral pada titik tumpuan dan beban, berat sendiri diabaikan. Desain cara LRFD AISC 2005. Dari Load Factor Design profil W33 x 118 Fy = 50 ksi diperoleh b=


“

”


8

0.9 Zx=415 in3 M p = 1730 kip-ft 23.5 ft

bMp =

1560 kip-ft ;

bMr =

1080 kip-ft ; Lp = 8.2 ft; Lr =

z P1 Dead Load or Live Load

x 1

2

P2 Dead Load or Live load 4

3

A

B

24 ft

C

28 ft

21 ft

52 ft

Lateral support of compression flange

Vertical support

a). Verti cal dan Lateral S upport P1 = 60 kips (LL) P2 = 12 kips (DL)

P1 = 16 kips (DL) A

B

C

MU= 1240 kip-ft

a). Load Case I P2 = 28 kips (LL) P1 = 16 kips (DL) A

P2 = 12 kips (DL)

B

C

MU= 1350 kip-ft

b). Load Case II

c). Envelope Bending Moment on Beam

b). L oad C ase and their Load Combination

Gambar 6 Balok Kasus-3 Akibat tahanan lateral segment A, B dan C berbeda, maka diperlukan evaluasi tersendiri. Tabel 3 Desain Otomatis Balok W33 x 118 dengan Kantilever No

Materi Design

Mu

Cb

kips-ft

Acuan desain segment A Acuan desain segment B Acuan desain segment C *1 SAP : 3 Element (1-2)

1

*1

SAP : 3 Element (2-3)

2

*2


3

Keterangan

1510

0.894

100%

1350

2.00

28

-

1390

0.971

100%

1240

1.00

21

-

1027

1.207

100%

1349 1349

1.00 1.00 1.00

-

2.167 1.857 1.857

271 271

4.988 4.988

558% 515%

271

4.596

-

1.67 1.67 1.96 1.42

-

1.000 2.167 1.857 1.857

1556 1508 1363

0.799 0.895 0.990

66% 100% 102%

987

1.260

-

-

1.000 1.000

1556

0.799

66%

Segment B – kiri Segment B – kanan Segment C

1510

0.867

97%

Segment A

Salmon et. al 2009

Segment A Segment B – kiri Segment B – kanan Segment C Segment A

*1

1243

*2


1243

ETABS : 3 Element (12) ETABS : 3 Element (23)

1349

1.67 1.67

1349

1.96

-

1.000

1364

0.978

101%

Segment B – kiri

ETABS : 3 Element (23)

1243

1.42

-

1.000

988

1.584

-

Segment B – kanan Eq. (H1.3b, H1-2)

ETABS : 3 Element (34)

1243

1.67

-

1.000

1556

0.799

66%


4

%

-

1243 1349 1349


R

24

*1 *2

Mn kips-ft

1.67

1243


Lfactor

ft

1350

*1


Lb

Segment C

Keterangan opsi program yang diaktifkan: *1

Analysis Option : Space Frame


“

”


9

*2

Analysis Option : Space Frame, D.O.F titik 2 dan 4 pada arah sb.2 di restraint

6 PEMBAHASAN KASUS-KASUS PERANCANGAN YANG DITINJAU 6.1 Umum Tiga kasus perancangan balok baja, dari tiga sumber berbeda telah dianalisis dan didesain ulang dengan SAP2000 dan ETABS. Pada tahap analisis ke duanya memberi hasil yang relatif sama, tetapi pada tahap desain yang dilakukan secara otomatis, ternyata beberapa hasilnya tidak memuaskan, yaitu berbeda dengan hasil desain acuan. Itu adalah petunjuk bahwa fasilitas opsi otomatis program mempunyai keterbatasan dalam memproses data-data suatu pemodelan struktur, yang variasinya relatif cukup banyak, bahkan tidak terbatas. Jadi meskipun pembuatnya sama, bahkan buku manual keduanya juga merujuk pada judul yang sama (CSI 2007), tetapi kode program yang mengendalikan opsi otomatisasi, yaitu memproses data analisis untuk diolah menjadi data desain, berbeda satu dengan lainnya. Perbedaan tersebut menghasilkan karakter program yang berbeda pula. Agar hasil desain dengan opsi otomatis optimal dan sesuai harapan, maka insinyur perlu menyiapkan model struktur yang sesuai dengan karakter program yang dipakai. Adanya buku manual yang sama, tetapi karakter programnya berbeda adalah petunjuk bahwa untuk mengenal karakter suatu program tidak cukup hanya membaca buku manualnya saja, tetapi perlu pengalaman langsung dengan program itu sendiri.

6.2 Karakter Program SAP2000 dan ETABS SAP2000 dan ETABS adalah structural analysis program (SAP) komersil dari Computer and Structure Inc., Berkeley, (www.csiberkeley.com), yang dibuat untuk mengisi pasar yang berbeda. SAP2000 adalah general purpose SAP, sedangkan ETABS lebih ditujukan pada perancangan bangunan gedung (2D atau 3D). Jadi wajar saja jika kedua program tersebut mempunyai karakter program berbeda. Itu sebabnya, mengapa CSI menjual keduanya secara terpisah dan bukan dengan cara menggabungkannya. Pada penelitian ini, terbukti bahwa karakter program tidak mempengaruhi proses analisis, tetapi hanya hasil desain. Dari manual ETABS (CSI 2005), maka dapat diketahui bahwa rangka (element Frame) yang diorientasikan horizontal disebut beam, yang diorientasikan vertikal disebut column, sedangkan yang diagonal sebagai brace. Penggolongan tersebut sangat berguna karena mengikuti karakter 3D konstruksi bangunan gedung, yang memang tertentu geometrinya. Kondisi tersebut memudahkan pemrogram mengolah data analisis untuk data desain. Cara yang sama seperti ETABS jelas tidak bisa diterapkan pada program SAP2000 yang memang ditujukan untuk struktur umum (general purpose), yang tidak terbatas hanya untuk konstruksi gedung tinggi, tetapi juga struktur-struktur lain seperti jembatan, atap, dsb-nya. Meskipun orientasi element rangka SAP2000 juga dibedakan, yaitu orientasi vertikal dan non-vertikal, tetapi itu hanya terbatas pada kesepakatan tanda saja (Dewobroto 2007). Tidak adanya penggolongan element menjadi beam, column atau brace pada SAP2000 memang tidak mengganggu proses analisisnya, tetapi proses desainnya jelas lebih rumit karena persyaratan desain balok atau kolom atau bracing adalah berbeda. Jadi meskipun secara prinsip, proses desain kedua program adalah sama, tetapi karena adanya hal-hal tersebut menyebabkan strategi pemrogram untuk membuat proses analisis-desain menyatu (seamlessly ) secara otomatis pada kedua program akan


“

”


10

berbeda. Itu pula alasan, mengapa hasil program SAP2000 dan ETABS berbeda dalam proses desain otomatis. Element balok pada konstruksi bangunan gedung tinggi umumnya untuk mendukung lantai bangunan yang umumnya berupa lantai beton bertulang. Jarang ada balok lantai berupa grid terbuka yang berdiri sendiri. Adanya lantai yang menjadi satu kesatuan dengan balok menyebabkan pertambatan lateral balok relatif lebih terjamin. Oleh karena itulah ETABS selalu menganggap pada tiap ujung segmen balok mendapat pertambatan lateral cukup. Itu dapat dilihat pada Kasus-1, semua model balok yang dibagi menjadi beberapa segmen menunjukkan hasil sesuai (bernilai ± 100%). Sedangkan SAP2000, meskipun model balok telah dibagi menjadi beberapa segmen (4 dan 10 element) tetapi hasilnya menunjukkan bahwa kondisi balok adalah bebas, tanpa pertambatan lateral. Agar menjadi tertambat maka perlu tambahan elemen lain (LINK) yang seakan-akan berfungsi sebagai bracing. Jika Kasus-1 cukup sesuai jika digunakan program ETABS, maka program yang sama akan memberi hasil yang mengecoh (bisa berbahaya) jika digunakan untuk perancangan balok pada Kasus-2 , khususnya yang pertambatan lateral pada baloknya tidak terjamin.

6.3 Pengaruh pemodelan struktur pada proses desain penampang Untuk mencari kondisi pertambatan lateral struktur pada proses desain, program SAP2000 akan menghitung secara lengkap konfigurasi geometri strukturnya (CSI 2007), oleh karena itu suatu pemodelan struktur 3D pada program SAP2000 cenderung memberi hasil desain otomatis yang lebih baik dibandingkan jika dimodelkan lebih sederhana sebagai model 2D. Sebagai contoh dapat dilihat kasus pemodelan balok dengan tambahan elemen LINK pada Kasus-1 yang memberi hasil mendekati hasil desain acuan. Model 3D yang lebih rumit jelas bertentangan dengan prinsip pemodelan pada umumnya yang cenderung memilih model yang sederhana dibanding model yang rumit. Semakin banyak data yang dilibatkan maka semakin banyak hasil yang perlu diinterprestasikan oleh insinyur, dan itu merupakan sumber-sumber untuk terjadinya human-error . Sedangkan pemodelan dengan ETABS, karena setiap elemen rangkanya telah digolongkan terlebih dahulu menjadi beam atau column atau brace, maka tentunya proses analisis dan desain dapat berlangsung secara lebih baik. Studi kasus pada balok menunjukkan bahwa memakai pemodelan 2D saja dapat dihasilkan rancangan yang baik memakai ETABS.

6.4 Faktor-faktor yang menentukan pada desain penampang Problem yang ditinjau relatif sederhana, yaitu perancangan balok baja menurut AISC LRFD. Oleh sebab itu dapat diketahui bahwa parameter desain yang belum diberikan pada proses analisis adalah parameter Lb dan Cb. Masing-masing adalah jarak bebas tanpa pertam-batan lateral (l 22 pada Gambar 2) dan faktor momen gradien. Pengaruh kedua parameter tersebut terhadap kekuatan lentur balok diperlihatkan pada kurva di Gambar 3. Sedangkan penjelasannya secara lengkap dapat dibaca pada buku teks baja standar (Vinnakota 2006, McCormac 2008 dan Salmon 2009). Mempelajari studi kasus, khusus pada parameter tadi maka disimpulkan bahwa penyebab perbedaan hasil SAP2000 dan ETABS terhadap hasil desain acuan adalah bersumber dari bagaimana program tersebut memproses input-data tahap analisis untuk menghasilkan Lb dan Cb yang merupakan input-data yang kurang pada tahap desain. Penentuan parameter C b relatif mudah karena rumus F1-1 (AISC LRFD 05) cukup jelas pemakaiannya. Kesalahan dijumpai karena ada ketentuan dari AISC bahwa untuk


“

”


11

struktur kantilever nilai C b =1 (rumus F1-1 tidak digunakan). Jadi dari hasil desain pada Kasus-3 (lihat Tabel 3) terlihat bahwa nilai C b pada element 3-4 tidak sama dengan satu, baik program SAP2000 maupun ETABS. Jadi keduanya belum bisa mengindentifikasi secara otomatis apakah strukturnya merupakan balok biasa atau kantilever. Dengan demikian para insinyur pemakai program harus mengaktifkan secara manual dengan opsi Overwrites . Jika tidak diubah secara manual maka hasilnya menjadi under-design atau tidak aman. Penentuan parameter L b oleh SAP2000 dan ETABS cukup berbeda. Perbedaan tersebut timbul karena kedua program menyasar target perencanaan yang berbeda sebagaimana telah dijelaskan pada karakter program pada bab 6.2 sebelumnya.

7 KETERBATASAN PERANCANGAN OTOMATIS BALOK BAJA Adanya perbedaan hasil antara desain otomatis komputer dengan desain manual rujukan, tidak serta merta bisa dijadikan kesimpulan bahwa program komputernya ada yang salah. Bagaimanapun juga untuk membuat suatu pernyataan yang umum sifatnya, tidak mudah. Untuk itu diperlukan banyak sampel dan bahkan jika perlu diolah secara statistik. Selain itu, kalau melihat hasil desain otomatis komputer tidak semuanya jelek. Ada beberapa hasil lain yang cukup memuaskan. Jadi bisa dikatakan bahwa perbedaan timbul akibat keterbatasan program yang terlampaui, data yang disiapkan tidak sesuai dengan karakter programnya. Meskipun pada buku manual telah secara implisit dijelaskan karakter programnya, tetapi tidak semua pembaca memahaminya secara jelas. Berdasarkan kasus-kasus yang diteliti selanjutnya dapat diungkapkan beberapa petunjuk tentang keterbatasan desain otomatis dengan SAP2000 atau ETABS, sehingga diharapkan tidak dijumpai lagi kesalahan sejenis. Adapun keterbatasan yang dapat diungkapkan adalah : 1. SAP2000 dan ETABS dapat saja secara otomatis mengevaluasi kondisi lateral torsional buckling (LTB) balok, dengan menentukan nilai L b. Tetapi cara keduanya mengevaluasi sangat berbeda, oleh karena itu para insinyur pemakai harus memahaminya. 2. Khusus untuk konstruksi balok kantilever, nilai Cb yang dihitung oleh kedua program belum sesuai dengan AISC LRFD dan perlu overwrite secara manual. Jika tidak, maka hasilnya under-design, sehingga pada suatu kasus tertentu bisa membahayakan. 3. ETABS sesuai untuk sistem balok yang tertambat penuh secara lateral seperti lantai beton bertulang pada bangunan gedung. Sedangkan SAP2000 cocok digunakan untuk perancangan struktur dengan sistem rangka terbuka, dimana sistem pertambatan late-ral perlu dimasukkan juga dalam pemodelannya secara eksplisit. 4. Agar perancangan struktur baja optimal, perlu pemodelan struktur yang disesuaikan dengan karakter program. Jika hanya mempertimbangkan data untuk keperluan analisis strukturnya saja, maka jelas data tersebut tidak mencukupi. Perlu informasi tambahan khususnya kondisi restraint pada titik-titik yang dianggap ada pertambatan lateralnya. Ini merupakan sesuatu keharusan, khususnya untuk struktur yang dimodelkan secara terbatas, seperti pemodelan 2D ( plane frame). Jika struktur dapat dimodelkan secara 3D (space-frame) lengkap, maka ada kemungkinan SAP2000 dapat menghitung secara otomatis, meskipun kebenaran L b-nya perlu dievaluasi ulang oleh insinyurnya.


“

”


12

5. Pada balok dengan pertambatan lateralnya yang baik, seperti lantai komposit, maka jika digunakan SAP2000 untuk perancangan otomatis, maka perlu campur tangan insinyur untuk mengevaluasi nilai L b yang dihitung komputer, dan jika diperlukan mengubahnya dengan opsi overwrite yang telah disediakan. 6. Ada ketidaksamaan persepsi antara pemodelan bagian yang mempunyai tambatan lateral, dengan kondisi real. Ada pemahaman bahwa profil desak disebut tertambat secara lateral jika dipasang bracing sedemikian sehingga profil tersebut tidak mengalami perputaran pada sumbunya. Dalam pemodelan kondisi tersebut seharusnya di restraint pada D.O.F rotasi, dan bukan D.O.F translasi. Dalam kenyataannya, seperti dijumpai pada pemodelan Kasus-1 ternyata dapat diatasi dengan hanya memasang LINK arah sumbu-3 yang tersambungkan secara aksial (pin). Pada Kasus-2, sebagai pengganti LINK ditetapkan kondisi restraint translasi pada arah sumbu-3, yaitu y (mengikuti tata aturan sumbu 3D pada program SAP2000). Kondisi tersebut tentu tidak selaras dengan kriteria pertambatan lateral seperti yang telah dikemukakan di atas. Jadi bisa saja dikatakan, bahwa apa yang dianggap tertambat lateral oleh program, ternyata tidak dipahami sama secara realitas, demikian pula sebaliknya.

8 SIAPA YANG BENAR ATAU SIAPA YANG SALAH Adanya temuan yang tidak memuaskan dalam pemakaian SAP, apakah itu SAP2000 atau ETABS tentu menimbulkan pertanyaan, siapa yang jadi sumber masalah: [1] Program SAP-nya yang tidak reliable, atau [2] insinyur pemakainya yang tidak kompeten. Jawabannya tergantung dari bagaimana sikap pemakai terhadap program tersebut. Jika dianggap bahwa SAP adalah hasil teknologi buatan manusia yang sangat hebat, yang dapat menyelesaikan semua masalah secara otomatis. Sehingga pemakai tidak perlu tahu hal-hal apa yang dikerjakan program, maka ketika kemudian ditemukan fakta ketidak-sempurnaan, orang tersebut cenderung akan menyalahkan program komputer tersebut. Sedangkan yang lain, yang menganggap bahwa SAP adalah seperti hasil teknologi lainnya, yaitu jika dapat memakai secara tepat tentu akan sangat berguna. Sedangkan jika teknologi tersebut tidak bisa dipakai dengan baik maka cenderung tidak bermanfaat dan bahkan bisa menghasilkan bahaya bagi pemakainya. Orang yang berpendapat seperti ini tentu tidak perlu bersusah-payah mengajukan pertanyaan di atas, karena sudah tahu jawabannya. Adanya pembahasan di atas menunjukkan bahwa jika dapat dipahami keterbatasan suatu program, maka dengan memberi masukan atau perubahan pada design preference dengan opsi overwrite yang memang telah disediakan, maka akhirnya SAP2000 dan ETABS dapat menampilkan hasil yang memuaskan.

9 KESIMPULAN Program SAP2000 dan ETABS buatan CSI (www.csiberkeley.com) merupakan salah satu structural analysis program komersil yang mampu melakukan perancangan struktur balok baja secara mudah dan terintegrasi (seamlessly ). Tetapi untuk mendapatkan hasil yang diharapkan, maka insinyur perlu mempersiapkan pemodelan struktur yang sesuai dengan karakter program, yang ternyata berbeda antara SAP2000 dan ETABS.


“

”


13

Selanjutnya yang penting diperhatikan adalah memeriksa parameter desain (L b, Cb) yang dihasilkan program, yang masing-masing adalah jarak bebas tanpa pertambatan lateral dan faktor momen gradien. Keduanya perlu direview, apakah sudah sesuai dengan asumsinya. Ini merupakan fakta yang membuktikan bahwa program komputer yang dianggap canggih sekalipun ternyata hanya berguna sebagai alat atau tool saja. Hasil akhir suatu rancangan rekayasa yang berbasis komputer tetap terletak pada manusia pemakainya (insinyur). No computer program can replace the engineering judgment of an experieced engineer. It is well said that an incapable engineer cannot do with a ton of computer output what a good engineer can do on the back of an envelope. Kutipan di atas adalah The “SAP” Warning, yang terdapat pada manual program SAP80, versi awal structural analysis program pada komputer pribadi (Wilson and Habibullah 1986). Pesan Prof. Wilson tersebut telah ada lebih dari ¼ abad yang lalu dan ternyata masih valid sampai sekarang bagi para insinyur untuk dijadikan acuan bagi kesuksesan karirnya.

DAFTAR PUSTAKA AISC. (2005). “ ANSI/AISC 360-05: An American National Standard – Specification for Structural Steel Building ”, American Institute of Steel Construction, One East Wacker Drive, Suite 700, Chicago, Illinois CSI. (2005). “ETABS Integrated Building Design Software : Welcome to ETABS”, Computers and Structures, Inc., Berkeley, California, USA CSI. (2007). “Steel Frame Design Manual AISC 360-05/IBC2006 - For SAP2000 and ETABS”, Computer and Structure, Inc., Berkeley, California Dewobroto, W. (2007). “ Aplikasi Rekayasa Konstruksi dengan SAP2000 – Edisi Baru”, Elex Media Komputindo, Jakarta Dewobroto, W. (2010).“Dampak Pemakaian ‘Design Preference’ pada Rancangan Struktur - Studi Kasus : Analisis dan Design Balok Baja memakai SAP2000 versi 11.0 ”, Konferensi Nasional Teknik Sipil (KoNTekS) 4, Unud-UAJY-UPH, Wisma Wisata Werdhapura, Sanur, Bali, 2-3 Juni 2010. Habibullah, A., and G. Robert Morris. (2009). “ Advanced Nonlinear Analysis For Modern Structures”, Seminar dan Pameran HAKI 2009 - “ Advanced Nonlinear Analysis for Modern Structures”, Hotel Borobudur, Jakarta McCormac, J. (2008). “Structural Steel Design 4th Ed.”, Pearson International Edition, USA. Salmon, C.G., J.E. Johnson and F.A. Malhas. (2009). “Steel Structures: Design and Behavior - Emphazing Load and Resistance Factor Design, 5 th Ed.”, Pearson International Edition. Segui, W.T.(2007). “Steel Design 4th Ed ”., Cengage Learning Vinnakota, S. (2006). “Steel Structures : Behavior and LRFD”, McGraw-Hill Int. Edition Wilson, E., and Habibullah, A. (1986). “SAP80 Structural Analysis Programs - A Series of Computer Programs for the Static and Dynamic Finite Element Analysis of Structures: Technical Reference Manual ”, Computers & Structures Inc., Berkeley, California.


“

”


14

Modul 2- SAP2000

Recommend Documents