ANALISIS DAN DESAIN PORTAL BAJA Suatu model struktur portal dari profil baja IWF 300x200, mempunyai konfigurasi dan pembebanan, seperti pada Gambar 1. P q
q
600 cm
300 cm
P
q
500 cm
600 cm
Gambar 1 . Konfigurasi Struktur Dan Pembebanan Pada Struktur
Pembebanan Pada Struktur : Di atas bentang-bentang dari balok bekerja beban terbagi merata q = 20 kg/cm yang berbentuk trapesium dan segitiga, serta beban terpusat P = 4000 kg. Beban– beban ini belum termasuk berat sendiri dari profil baja. Karakteristik Bahan Baja : Berat jenis Modulus elastisitas Angka Poisson Mutu baja profil
= = = =
7850 kg/m3 = 0,00785 kg/cm3 2100000 kg/cm2 0,3 BJ.37, dengan tegangan leleh : fy = 2400 kg/cm2
Karakteristik Penampang :
Profil IWF 300x200 Tinggi profil Lebar profil Tebal sayap Tebal badan
= = = =
30 cm 20 cm 1,2 cm 0,8 cm
Analisis Struktur : - Tentukan gaya-gaya dalam elemen ( momen lentur, gaya geser / lintang , dan gaya normal ) Tentukan reaksi-reaksi tumpuan. Desain Struktur : Periksa kekuatan dari profil baja IWF yang digunakan KSAKS / SAP2000 : Analisis Dan Desain Portal Baja
1
Penyelesaian : Memilih Sistem Satuan Pada kotak sistem satuan, pilih sistem satuan yang akan digunakan di dalam analisis struktur ( pada contoh ini digunakan sistem satuan : kg-cm ).
Menyusun Bentuk Stuktur Dari menu File, pilih New Model From Template. Pada kotak Model Templates, klik gambar struktur portal dua dimensi. Pada kotak Portal Frame ketikkan data-data dari konfigurasi struktur sbb. : Number of Stories Number of Bays Story Height Bay Width
= = = =
1 3 500 600
Klik OK. Dengan prosedur di atas, akan didapatkan bentuk struktur portal dengan 3 bentang yang sama panjang, yaitu 600 cm. Penomoran joint dan elemen, seperti pada Gambar 2 di bawah.
Gambar 2. Konfigurasi Struktur Sebelum Dimodifikasi
Untuk menampilkan nomor joint dan nomor elemen dari struktur dilakukan sbb :
Dari menu View, klik Set Element untuk menampilkan kotak Set Element Klik Labels pada kotak Joint, dan klik Labels pada kotak Frames, kemudian klik OK. Untuk menampilkan sumbu lokal dari elemen dilakukan sbb. :
Dari menu View, klik Set Element untuk menampilkan kotak Set Element Klik Local Axes pada kotak Frames, kemudian klik OK. Karena bentang dari balok tengah adalah 300 cm, maka perlu diadakan perubahan konfigurasi dari struktur untuk mendapatkan bentuk sesuai yang direncanakan. KSAKS / SAP2000 : Analisis Dan Desain Portal Baja
2
Perubahan bentuk dari struktur dilakukan dengan cara merubah letak koordinat dari beberapa joint, dan menghapus beberapa kolom struktur. Joint yang akan dirubah koordinatnya adalah joint 5, 6, 7, dan 8. Perubahan koordinat joint dilakukan sbb. : Pada joint 5, klik kanan untuk menampilkan kotak Joint Information. Pada kotak Identification and Location, rubah koordinat dari joint 5 menjadi X=0,
Y=0, dan Z=0, kemudian klik OK.
Pada joint 6, klik kanan untuk menampilkan kotak Joint Information. Pada kotak Identification and Location, rubah koordinat dari joint 6 menjadi X=0,
Y=0, dan Z=500, kemudian klik OK.
Pada joint 7, klik kanan untuk menampilkan kotak Joint Information. Pada kotak Identification and Location, rubah koordinat dari joint 7 menjadi
X=600, Y=0, dan Z=0, kemudian klik OK.
Pada joint 8, klik kanan untuk menampilkan kotak Joint Information. Pada kotak Identification and Location, rubah koordinat dari joint 8 menjadi
X=600, Y=0, dan Z=500, kemudian klik OK.
Untuk menghapus kolom-kolom dari struktur, dilakukan sbb. : Klik elemen nomor 1 dan 4, kemudian pilih menu Edit dan Cut.
Untuk menampilkan perubahan bentuk/konfigurasi dari struktur, dilakukan sbb. : Pilih menu Display, kemudian klik Show Undeformed Shape.
Gambar 3. Konfigurasi Struktur Setelah Dimodifikasi
Mendefinisikan Karakteristik Material Untuk mendefinisikan karakteristik dari material baja yang digunakan, dilakukan sbb. : Dari menu Define, pilih Material. Pada kotak Define Material, pilih STEEL, dan klik Modify/Show Material. Pada kotak Material Property Data masukkan data-data :
Mass per unit Volume Weight per unit Volume
=0 = 0.00785
KSAKS / SAP2000 : Analisis Dan Desain Portal Baja
3
Modulus of Elasticity Poisson Ratio Coeff of Thermal Expansion Steel yield stress, fy
= = = =
2100000 0.3 0 2400
Klik OK.
Gambar 4. Data Masukan untuk Material Baja ( Steel )
Mendefinisikan Dimensi Elemen Untuk mendefinisikan dimensi dari profil IWF 300x200 yang digunakan, dilakukan sbb. : Dari menu Define, pilih Frame Sections. Pada kotak Define Frame Section, klik Add I/Wide Flange Pada kotak I/Wide Flange Section , masukkan data-data :
Section Name : FSEC2 Dimension : - Outside height ( t3 ) : - Top flange width ( t2 ) : - Top flange thickness ( tf ) : - Web thickness ( tw ) : - Top flange thickness ( tf ) : - Bottom flange width ( t2b ) : - Top flange thickness ( tfb ) Material : STEEL
= = = = = = =
30 20 1.2 0.8 1.2 20 1.2
Klik OK.
KSAKS / SAP2000 : Analisis Dan Desain Portal Baja
4
Gambar 5. Data Masukan untuk Profil IWF 300x200
Penempatan Elemen Pada Sistem Struktur Untuk mendefinisikan penempatan elemen-elemen pada sistem struktur, dilakukan prosedur sbb. : Klik semua elemen dari struktur. Pilih menu Assign, kemudian Frame dan Section. Pada kotak Define Frame Section, pilih FSEC2, kemudian klik OK.
Mendefinisikan Jenis Tumpuan Untuk mendefinisikan jenis tumpuan pada struktur, dilakukan sbb. : Klik joint 2 yang merupakan tumpuan sendi dari struktur. Pilih menu Assign, kemudian Joint dan Restraints. Di dalam kotak Joint Restraints, pada Fast Joint Restraints, klik gambar tumpuan sendi, kemudian klik OK. Klik joint 3 dan joint 5 yang merupakan tumpuan jepit dari struktur. Pilih menu Assign, kemudian Joint dan Restraints. Di dalam kotak Joint Restraints, pada Fast Joint Restraints, klik gambar tumpuan jepit, kemudian klik OK. Klik joint 8 yang merupakan tumpuan rol dari struktur. Pilih menu Assign, kemudian Joint dan Restraints. Di dalam kotak Joint Restraints, pada Fast Joint Restraints, klik gambar tumpuan rol, kemudian klik OK. KSAKS / SAP2000 : Analisis Dan Desain Portal Baja
5
Mendefinisikan Beban Pada Struktur Untuk memasukkan data dari beban-beban yang bekerja pada struktur, dilakukan prosedur sbb : A. Beban Trapesium Klik elemen-elemen yang akan dibebani beban trapezium ( elemen 5 dan 7 ). Pilih menu Assign, kemudian Frame Static Load, dan Trapezoidal. Pada kotak Trapezoidal Uniform Span Loads, masukkan data beban sbb. : Load Case Name Load Type and Direction Direction
: LOAD1 : Forces : Global Z
Pada kotak Trapezoidal Loads, masukkan data-data : Distance Distance Distance Distance
1 2 3 4
= = = =
0 0.25 0.75 1
Load Load Load Load
1 2 3 4
= = = =
0 -20 -20 0
Klik OK.
Gambar 6. Data Masukan untuk Beban Trapesium
B. Beban Segitiga Klik elemen yang akan dibebani beban segitiga ( elemen 6 ). Pilih menu Assign, kemudian Frame Static Load, dan Trapezoidal. Pada kotak Trapezoidal Uniform Span Loads, masukkan data beban sbb. : KSAKS / SAP2000 : Analisis Dan Desain Portal Baja
6
Load Case Name Load Type and Direction Direction
: LOAD1 : Forces : Global Z
Pada kotak Trapezoidal Loads, masukkan data-data : Distance Distance Distance Distance
1 2 3 4
= = = =
0 0.5 1 1
Load Load Load Load
1 2 3 4
= = = =
0 20 0 0
Klik OK.
Gambar 7. Data Masukan untuk Beban Segitiga
C. Beban Terpusat Klik joint-joint yang akan dibebani beban terpusat ( joint 4 dan 6 ). Pilih menu Assign, kemudian Joint Static Load, Pada kotak Joint Forces, masukkan data beban sbb. : Load Case Name Options Force Global Z Klik OK.
: LOAD1 : Add to existing loads : -4000
D. Berat Sendiri Profil Agar berat sendiri dari profil baja diperhitungkan di dalam analisis struktur, maka perlu didefinisikan besarnya faktor beban untuk berat sendiri profil ( self weight multiplier ) sbb. : KSAKS / SAP2000 : Analisis Dan Desain Portal Baja
7
Dari menu Define, klik Static Load Case Pada kotak Define Static Load Case Name, ketikan data : Load Type Self Weight Multiplier Klik OK.
: LOAD1 : DEAD :1
Untuk menampilkan beban-beban yang bekerja pada struktur, dilakukan sbb. :
Dari menu Display, klik Show Loads, kemudian klik Frame Pada kotak Show Frame Loads, klik Show Loading Value, kemudian klik OK.
Gambar 8. Pembebanan Pada Portal Baja
Melakukan Analisis Struktur Untuk melakukan analisis struktur, pilih menu Analyze, kemudian Run. Sebelum melakukan analisis, SAP2000 akan terlebih dahulu menyimpan data masukan pada suatu file pada kotak Save Model File As. Pada kotak Save Model File As, ini ketikkan nama file ( misal : PORTAL-BAJA ), kemudian klik Save. Dengan cara ini data-data struktur akan disimpan pada file PORTAL-BAJA.SDB. Untuk menampilkan deformasi struktur akibat pembebanan, dilakukan sbb. :
Dari menu Display, klik Show Deformed Shape Pada kotak Deformed Shape, ketikkan data-data : Load Scaling Option Klik OK.
: : : :
LOAD1 Load Case Auto Wire Shadow Cubic Curve
KSAKS / SAP2000 : Analisis Dan Desain Portal Baja
8
Untuk menampilkan diagram momen lentur ( Moment 3-3 ), gaya lintang / geser ( Shear 2-2 ), atau gaya normal ( Axial Force ), dilakukan sbb. :
Dari menu Display, klik Show Element Forces / Stresses, kemudian klik Frames Pada kotak Member Force Diagram for Frame, ketikkan data-data : Load Component Scaling
: : : : :
LOAD1 Load Case Moment 3-3 ( untuk menampilkan momen lentur ) Shear 2-2 ( untuk menampilkan gaya lintang ) Axial Force ( untuk menampilkan gaya normal ) Auto
Pilih Fill Diagram untuk menampilkan diagram momen lentur, gaya geser, atau
gaya normal, atau pilih Show Values on Diagram untuk menampilkan harga-harga dari momen lentur, gaya geser, atau gaya normal pada diagram. Klik OK.
Gambar 9. Deformasi Struktur , Diagram Momen Lentur, Gaya Lintang , dan Gaya Normal
Melakukan Desain Struktur Setelah dilakukan analisis struktur, untuk selanjutnya dapat dilakukan desain dari elemen-elemen struktur untuk menentukan apakah profil baja yang digunakan cukup kuat memikul beban yang bekerja. Struktur portal baja akan didesain dengan Metode Tegangan Ijin ( Allowable Stress Design / ASD89 ), yang mengacu pada standar American Institute of Steel Constructions ( AISC ). Prosedur desain struktur baja dengan SAP2000, dilakukan sbb. :
KSAKS / SAP2000 : Analisis Dan Desain Portal Baja
9
Pilih menu Design, kemudian klik Steel Design Pilih menu Options, klik Preference, kemudian klik Steel. Pada Steel Design Code, pilih AISC-ASD89, kemudian klik OK. Pilih menu Design, kemudian klik Select Design Combos Pada Design Load Combinations Selection, pilih DSTL1 pada kotak Design Combos ( DSTL1 merupakan kombinasi pembebanan yang dipilih untuk perhitungan desain struktur baja ) Jika pada kotak Design Combos, terdapat kombinasi pembebanan selain DSTL1, misalnya DSTL2, maka DSTL2 harus dipindah pada kotak List of Combos, agar DSTL2 tidak ikut diperhitunglan di dalam proses desain. Untuk memindahkan DSTL2 pada kotak List of Combos, dilakukan dengan cara : pilih DSTL2, klik Remove , kemudian klik OK. Pilih menu Design, kemudian klik Start Design / Check of Structure
Gambar 10. Kombinasi Pembebanan Yang Dipilih Untuk Desain Baja
Hasil desain dari elemen-elemen struktur baja yang berupa nilai Rasio Tegangan ( Stress Ratio ) dapat langsung ditampilkan di layar monitor. Rasio Tegangan adalah perbandingan antara tegangan yang terjadi pada elemen akibat pembebanan pada struktur, dengan tegangan yang dijinkan dari bahan yang digunakan. Suatu elemen struktur baja dinyatakan kuat, jika mempunyai harga Rasio Tegangan ≤ 1 ( tegangan yang terjadi pada elemen, lebih kecil dari tegangan yang diijinkan ). Suatu elemen struktur baja diinyatakan tidak kuat, jika mempunyai harga Rasio Tegangan > 1 ( tegangan yang terjadi pada elemen, lebih besar dari tegangan yang diijinkan ). Rasio Tegangan pada elemen-elemen portal baja yang didapat dari prosedur desain dengan Metode Tegangan Ijin ( ASD ) , diperlihatkan pada Gambar 11. KSAKS / SAP2000 : Analisis Dan Desain Portal Baja
10
Gambar 11. Rasio Tegangan Pada Elemen-elemen Portal Baja
Menampilkan / Mencetak Design File Hasil desain portal baja yang berupa Rasio Tegangan pada elemen-elemen struktur dapat disimpan pada suatu file, dan untuk selanjutnya dapat dicetak. Untuk menyimpan hasil desain struktur pada suatu file, dilakukan dengan cara sbb. : Pilih menu File, kemudian klik Print Design Tables. Pada kotak Print Design Tables, pilih Steel Design, kemudian pilih Input dan
Output
Klik Print to File, kemudian klik File Name, untuk menampilkan kotak Open File
for Printing Tables. Pada kotak File Name, ketikan nama file misal DESAIN, kemudian klik Save. Untuk menampilkan file DESAIN, dilakukan sbb. :
Pilih menu File, kemudian pilih Display Input / Output Text Files untuk
menampilkan kotak Display Text File.
Pada Files of type, pilih All Files (*.*) Pada File Name, ketikan DESAIN, kemudian klik Open.
KSAKS / SAP2000 : Analisis Dan Desain Portal Baja
11
Tampilan dari hasil desain struktur yang tersimpan pada file DESAIN sbb. : M A T E R I A L
P R O P E R T Y
D A T A
MAT LABEL
MODULUS OF ELASTICITY
POISSON'S RATIO
STEEL
2100000.00
0.300
0.000
D E S I G N
D A T A
M A T E R I A L MAT LABEL
DESIGN CODE
STEEL FY
STEEL
F R A M E
S
MAT LABEL
FSEC1 FSEC2
STEEL STEEL
F R A M E
SECTION TYPE
FSEC1 FSEC2
F R A M E
L O A D
DEPTH
FLANGE WIDTH TOP 30.000 20.000
TORSIONAL INERTIA
WEB THICK 0.000 0.800
FLANGE WIDTH BOTTOM 0.000 20.000
1250.000 24.000
S E C T I O N
P R O P E R T Y
SECTION MODULII S33 S22 12500.000 757.379
7500.000 160.118
DSTL1
ADD
STRESS
SECTION ID FSEC2 FSEC2 FSEC2
TYPE
LOAD1
1.0000
STATIC(DEAD)
FRAMING TYPE MOMENT MOMENT MOMENT
RADII OF GYRATION R33 R22 14.434 12.732
8.660 4.780
M U L T I P L I E R S
FACTOR
ELEMENT
1250.000 40.000
D A T A
11250.000 244.416
CASE
CHECK
SHEAR AREAS A3
PLASTIC MODULII Z33 Z22 18750.000 843.552
FLANGE THICK BOTTOM 0.000 1.200
D A T A
1500.000 281737.085 312500.000 112500.000 70.080 26.793 11360.678 1601.178
TYPE
2 3 5
REBAR FYS
D A T A
FLANGE THICK TOP 0.000 1.200
P R O P E R T Y
C O M B I N A T I O N
FRAME ID
CONCRETE FCS
A2
COMBO
STEEL
0.000
MOMENTS OF INERTIA I33 I22
SECTION LABEL FSEC1 FSEC2
REBAR FY
P R O P E R T Y
S E C T I O N AREA
7.850E-03
CONCRETE FC
50.000 30.000
SECTION LABEL
MASS PER UNIT VOL
2400.000
S E C T I O N
SECTION LABEL
THERMAL WEIGHT PER COEFF UNIT VOL
TITLE DSTL1
INFORMATION (AISC-ASD89) LLRF L_ratio L_ratio FACTOR MAJOR MINOR 1.000 1.000 1.000
KSAKS / SAP2000 : Analisis Dan Desain Portal Baja
1.000 1.000 1.000
1.000 1.000 1.000
K MAJOR
K MINOR
1.223 1.223 1.000
1.000 1.000 1.000
12
6 7
FSEC2 FSEC2
S T E E L FRAME
MOMENT MOMENT
S T R E S S
SECTION ID ID
1.000 1.000
C H E C K
1.000 1.000
O U T P U T
1.000 1.000
1.000 1.000
1.000 1.000
(AISC-ASD89)
/----------MOMENT INTERACTION CHECK---------//----SHEAR22---//----SHEAR33---/ COMBO RATIO = AXL + B33 + B22 COMBO RATIO COMBO
RATIO 0.000
2
FSEC2
3
FSEC2
5
FSEC2
6
FSEC2
7
FSEC2
0.000 0.000 0.000 0.000
DSTL1
(C)
0.416
= 0.187 + 0.229 + 0.000
DSTL1
(C)
0.415
= 0.187 + 0.228 + 0.000
DSTL1
(C)
0.575
= 0.000 + 0.575 + 0.000
DSTL1
(T)
0.324
= 0.008 + 0.316 + 0.000
DSTL1
(C)
0.575
DSTL1
0.036
DSTL1
DSTL1
0.036
DSTL1
DSTL1
0.248
DSTL1
DSTL1
0.069
DSTL1
DSTL1
0.248
DSTL1
= 0.000 + 0.575 + 0.000
KSAKS / SAP2000 : Analisis Dan Desain Portal Baja
13
KSAKS / SAP2000 : Analisis Dan Desain Portal Baja
14
