STUDI OPTIMALISASI KONFIGURASI STRUKTUR KUDA-KUDA ATAP BAJA RINGAN
MAKALAH SEMINAR HASIL TUGAS AKHIR
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan Program Strata-1 pada Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Andalas
Oleh: DWINTA WAHYUNI 1110922093
Pembimbing SABRIL HARIS HG, Ph.D
JURUSAN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS ANDALAS PADANG 2015 0
STUDI OPTIMALISASI KONFIGURASI STRUKTUR KUDA-KUDA ATAP BAJA RINGAN Oleh: Dwinta Wahyuni1) Sabril Haris HG, Ph.D2) 1) Mahasiswa Jurusan Teknik Sipil Universitas Andalas. 2) Staf pengajar Jurusan Teknik Sipil Universitas Andalas. Abstrak Tugas akhir ini bertujuan untuk mengetahui bagaimana bentuk struktur rangka batang (truss) atap baja ringan yang mungkin diaplikasikan di lapangan untuk bentang tertentu (bentang pendek, menengah, dan panjang). Hasil dari analisis ini digunakan sebagai sebagai rekomendasi bentuk dan konfigurasi struktur rangka batang atap baja ringan untuk berbagai panjang bentang. Analisis yang digunakan menggunakan data material penampang C (kanal) yang ada di pasaran. Analisis dilakukan dengan program (SAP 2000 V .11) dan diperoleh nilai gaya dalam setiap batang untuk selanjutnya diambil nilai maksimum sebagai nilai tarik maksimum dan nilai minimum sebagai nilai tekan maksimum. Hasil yang diperoleh dibandingkan dengan kapasitas penampang sehingga didapatkan rasio tekan dan rasio tariknya yang memenuhi untuk setiap bentang. Rasio tarik untuk setiap bentang yang didapatkan adalah; bentang pendek berkisar antara 0,21 s/d 0,29; bentang menengah berkisar antara 0,46 s/d 0,74; bentang panjangberkisar antara 0,75 s/d 0,94. Sedangkan untuk rasio tekan tiap bentang adalah; bentang pendek berkisar antara 0,19 s/d 0,26 ; bentang menengah berkisar antara 0,38 s/d 0,60; bentang panjang berkisar antara0,59 s/d 0,74.Dari hasil yang diperoleh dapat diambil kesimpulan bahwa konfigurasi rangka atap yang telah dianalisis stabil; pada bentang panjang material penampang digandakan karena struktur tersebut tidak stabil jika hanya menggunakan satu penampang saja.
Kata kunci: rangka atap baja ringan, konfigurasi rangka atap baja ringan , desain komponen struktur tekan, desain untuk aksial tarik. 1. PENDAHULUAN
Atap adalah bagian dari suatu bangunan gedung yang berfungsi sebagai penutup seluruh ruangan yang ada di bawahnya terhadap pengaruh panas, hujan, angin, debu atau untuk keperluan perlindungan. Komponen atap terdiri dari dua bagian penting, yaitu konstruksi rangka atap atau kuda-kuda dan penutup atap. Untuk bangunan-bangunan dengan bentang yang cukup panjang, kuda-kuda baja menjadi pilihan yang sering digunakan oleh masyarakat. Namun penggunaan material baja jarang digunakan sebagai rangka kuda-kuda atap untuk rumah tinggal,
kuda-kuda dari baja lebih sering digunakan bangunan-bangunan bentang panjang seperti pabrik, gedung pertemuan, stadion, kampus dan lain-lain. Namun pengembangan material baja sebagai material baja ringan ( Light Gauge Steel) akhir-akhir ini mulai menjadi altenatif yang banyak digunakan untuk struktur atap rumah tinggal. Hal ini dikarenakan baja ringan memiliki bobot yang lebih ringan dari pada baja biasa sehingga pemakaiannya lebih efisien pada struktur yang gaya dalamnya tidak terlalu besar,
1
karena berat sendiri struktur baja ringan lebih ringan. Pada tugas akhir ini akan dilakukan penelitian membahas tentang efektivitas bentuk kuda-kuda atap dengan material baja ringan. Pada penelitian penulis akan menganalisa struktur dan mendesain penampang untuk berbagai bentuk struktur atap dengan panjang yang bervariasi. Untuk bentang yang akan dianalisa adalah bentang pendek yaitu 6 m s/d 9 m; bentang panjang diwakili oleh bentang 10 m, 14 m, dan 18 m; bentang panjang diwakili oleh bentang 20 m, 25 m. Penelitian ini dilakukan dengan program SAP 2000 V.11 untuk menghindari menganalisis struktur secara manual. Tujuan dari penelitian ini adalah menentukan bagaimana bentuk struktur rangka batang (truss) atap baja ringan yang mungkin diaplikasikan di lapangan untuk bentang tertentu (bentang pendek, menengah, dan panjang). Sedangkan manfaat dari penelitian ini adalah sebagai rekomendasi bentuk dan konfigurasi struktur rangka batang atap baja ringan untuk berbagai panjang bentang. Untuk lebih memfokuskan permasalahan berdasarkan tujuan yang ingin dicapai, maka pada penelitian ini perlu diberikan batasan-batasan masalah sebagai berikut: 1. Material yang digunakan adalah baja ringan penampang C yang ada di pasaran. 2. Analisa struktur dilakukan untuk satu stuktur rangka batang atap di atas dua tumpuan sederhana sendi-rol. 3. Struktur rangka batang ditinjau untuk bentang pendek (penerapan pada rumah tinggal), bentang menengah (kantor, gudang), dan bentang panjang (struktur khusus).
4. Untuk setiap panjang bentang berbeda, bentuk dan konfigurasi struktur rangka batang disesuaikan dengan pola yang sudah biasa digunakan. 5. Perhitungan sambungan tidak dimasukkan dalam penelitian ini. 2. DESAIN KOMPONEN STRUKTUR 2.1 Desain Komponen Struktur Tekan
Komponen Struktur Tekan Pembebanan Konsentris Pada bagian ini berlaku untuk komponen struktur dimana resultan semua beban yang bekerja padanya berupa beban aksial yang melalui titik berat penampang efektif yang dihitung pada tegangan kritis (f n). Gaya aksial tekan desain (N *) harus memenuhi berikut ini : a. (2.1) 2.1.1
b.
(2.1.1)
Keterangan : adalah faktor reduksi kapasitas untuk komponen struktur dalam tekan (sesuai dengan SNI 7971 tahun 2013 Tabel 1.6 halaman 29) bernilai sebesar 0,85. adalah kapasitas penampang nominal dari komponen struktur dalam tekan. (2.2)
adalah luas efektif saat tegangan leleh
adalah kapasitas komponen struktur nominal dari komponen struktur dalam tekan (2.3) adalah luas efektif saat tegangan kritis
adalah tegangan kritis ditentukan dari persamaan yang sesuai, yaitu
(2.4)
2
2.1.3 Komponen
(2.5) Dengan : kelangsingan nondimensi yang digunakan untuk menentukan
(2.6)
adalah nilai dari tegangan penampang yang menerima tekuk tekuk torsi atau tekuk lentur torsi yang dihitung berdasarkan persamaan 2.7.
Struktur Tekan Pembebanan Konsentris Untuk penampang simetris tunggal yang menerima tekuk distorsi, seperti kanal lip dengan sayap belakang tambahan, nilai dari pada persamaan 2.3 harus lebih kecil dari : a. yang dihitung sesuai dengan persamaan 2.4 dan 2.5
b.
[ √ ]
Dengan dan persamaan
⁄
(2.7) ditentukan berdasarkan (2.8)
Dengan : adalah tegangan tekuk elastis pada komponen struktur tekan yang dibebani secara aksial untuk tekuk lentur terhadap sumbu x.
(2.9) Dengan √ (2.10) : ,, adalah panjang efektif untuk
tekuk terhadap sumbu x,y, dan puntir, G adalah modulus elastisitas geser (80 x 103 MPa); J adalah konstanta torsi untuk penampang; Iw adalah konstanta puntir lengkung untuk penampang
:
2.1.2 Penampang Simetris Ganda atau
Tunggal yang Menerima Tekuk Torsi atau Tekuk Lentur-Torsi Untuk penampang yang menerima tekuk torsi atau lentur torsi, ditentukan berdasarkan persamaan berikut ini :
c.
(2.11)
:
(2.12)
Tegangan tekuk distorsi elastis dari penampang kanal lip yang mengalami tekan harus ditentukan dari persamaan berikut :
{ √ }
(2.13). Penjelasan variabel untuk rumus diatas adalah sebagai berikut;
( ) ( )
(2.14)
(2.15)
(2.17)
(2.18)
(2.19)
ditentukan
(2.16)
dari
(2.20) persamaan 2.13
dengan
(2.21)
3
Gambar 2.8 Kanal Lip Sederhana yang Me ngalami Tekan
Nilai-nilai A, x, y, J, Ix, Iy, dan Ixy adalah untuk sayap tekan dengan lip sederhana sebagai berikut :
(( )) ( ) ( ) ()
(2.22)
(2.23)
(2.24)
(2.25)
(2.26)
( ) ( )
(2.27) (2.28)
2.2 Desain Komponen Struktur Aksial Tarik
Sebuah komponen struktur yang menerima gaya aksial tarik desain (N*) harus memenuhi : N* ≤ ϕt .N t (2.29) Keterangan: ϕt = adalah faktor reduksi kapasitas untuk komponen struktur tarik N t = adalah kapasitas penampang nominal dari komponen struktur dalam tarik yang ditentukan sesuai dengan penjelasan dibawah ini (diambil sebagai nilai terkecil); N t = A g .f y ; dan (2.29.1) N t = 0,85k t.A (2.29.2) n.f u Keterangan; A g = luas bruto penampang
= tegangan leleh yang digunakan f y dalam desain = faktor koreksi untuk distrubusi k t gaya yang ditentukan An = luas neto penampang, diperoleh dengan mengurangi luas bruto penampang dengan luas penampang penetrasi dan lubang, termasuk lubang pengencang. f u = kekuatan tarik yang digunakan dalam desain 3.
HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Deskripsi Hasil Penelitian Pada perhitungan analisa rangka atap baja ringan dalam perencanaan konstruksinya dibuat berpedoman kepada Peraturan Pembebanan Indonesia Untuk Gedung (PPIUG) tahun 1983 dan SNI-7971 tahun 2013 tentang Struktur Baja Canai Dingin. Data spesifikasi material baja ringan yang digunakan adalah sebagai berikut : Tabel 4.1 Data spesifikasi material baja ringan yang digunakan
Jenis Mutu Tegangan tarik leleh (fy), Mpa Tegangan tarik putus (fu), Mpa Modulus Elastisitas (E), Mpa Modulus Geser (G), Mpa Tinggi (D), mm Tebal (t), mm
Kanal C Clip G550
Lebar (B), mm Tinggi lip (c), mm Ix Iy rx ry
35 8 106689,030 19255.610 30.230 12.840
550 550 200000 72692.16 75 0.75
4
Jenis gordi ng
Gambar 4.1 Penampang melintang profil Kanal C Clip
Pada perhitungan menggunakan mathCad didapatkan data-data perencanaan gording seperti pada tabel berikut; a. Untuk bentang pendek Tabel 4.2 Data perencanaan gording untuk bentang pendek
Chan nel 200x 75x2 0x3,2
Be rat go Be rdi nta ng ng (k (m g/ ) 2 m ) 20 9, 27
Jar ak ant ar go rdi ng (m ) 1, 2
Pa nja ng raf ter (m ) 11, 03 4
Ju ml ah go rdi ng
10
Sud ut kem irin gan atap (der jat) 25
25 30 40
Sudut
4.1.1 Pemodelan Struktur rangka atap dimodelkan dalam (kg/m ) 6 1 3,464 4 30 bentuk model numerik berdasarkan Channel 7 1,2 4,041 4 30 9,27 200x75x20x referensi yang telah ada. Dalam permodelan 8 1,1 4,619 5 30 3,2 9 1,2 5,196 5 30 tersebut diasumsikanbahwa sambungan b. Untuk bentang menengah adalah monolit (kaku), dimana alat Tabel 4.3 Data perencanaan gording sambung dan model penyambungnya tidak untuk bentang menengah dimodelkan. Model numeriknya dapat Jara Sudut dilihat pada gambar-gambar berikut. Ber k Panj kemiri a. Bentang Pendek at Jum Jenis Bent anta ang ngan gor lah gordin ang r rafte atap ding gor g (m) gor r (derjat (kg/ ding ding (m) ) m2 ) (m) 10 1,1 5,77 6 30 Gambar 4.2 Rangka atap baja ringan Chann bentang 6 m 4 el 14 1,2 7,72 7 25 200x75 9,27 4 x20x3, 18 1,15 9,57 9 25 2 8 Jenis
gording
c.
Berat
gording 2
Bentang (m)
Jarak antar Panjang gording rafter (m) (m)
Jumlah
gording
kemiringan atap (derjat)
Untuk bentang panjang Tabel 4.4 Data perencanaan gording untuk bentang pendek
Gambar 4.3 Rangka atap baja ringan bentang 7 m
5
c. Bentang Panjang
Gambar 4.4 Rangka atap baja ringan bentang 8 m
Gambar 4.9 Rangka atap baja ringan bentang 20 m Gambar 4.5 Rangka atap baja ringan bentang 9 m
b. Bentang Menengah
Gambar 4.10 Rangka atap baja ringan bentang 25 m
Gambar 4.6 Rangka atap baja ringan bentang 10 m
Gambar 4.7 Rangka atap baja ringan bentang 14 m
Gambar 4.8 Rangka atap baja ringan bentang 18 m
4.1.2 Pola Pembebanan Beban yang diinputkan pada rangka atap dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: a. Beban Mati ; mencakup berat sendiri, bebrat atap dan berat gording. b. Beban Hidup ; mencakup beban manusia pada saat pelaksanaan/pemeliharaan sebesar 100 kg (sesuai dengan PPIUG 1983 pasal 3.2) c. Beban Angin Beban pada rangka batang (truss) dikerjakan tepat pada titik-titik simpul/ kumpul. Oleh karenanya dalam pemodelan ini beban dikerjakan pada setiap titik simpul/ kumpul. Beban yang diterima oleh gording kemudian didistribusikan ke masing-masing titik.
6
6
Pende k
7 8 9
Gambar 4.13 Pola Pembebanan Beban Mati dan Beban Hidup
10 Mene ngah
14 18 20
Gambar 4.14 Pola Pembebanan Beban Angin
Perhitungan analisa struktur dilakukan dengan menggunakan mathCad. Setelah didapatkan resume beban mati, beban hidup, dan beban angin, beban-beban tersebut diinputkan dan dianalisa menggunakan SAP 2000 V.11.0. Hasil yang didapatkan dari analisa struktur ini adalah berupa nilai tarik-tekan yang dialami setiap batang. Untuk selanjutnya akan diamati berapa nilai maksimum dari gaya aksial tarik-tekan yang terjadi pada setiap bentang. Pada tabel berikut akan ditampilkan resume beban mati, beban hidup, dan beban angin pada masing-masing bentang;
Panja ng
25
17,1 24
14, 124
19,7 64 19,7 64 19,7 64 18,3 84 19,7 64
15, 444 15, 444 15, 444 14, 754 15, 444
19,0 59 15,3 20 16,4 70
15, 091 12, 295 12, 870
30 40
100
6
12
100
7,2
100
7,2
100
7,2
100
6,6
100
7,2
100
6,9
13, 8
100
2,7 5
11
100
1,2
12, 2
14, 4 14, 4 14, 4 13, 2 14, 4
100 100
3.2 Hasil Penelitian
Analisis Gaya Batang Analisis desain baja ringan pada elemen rangka atap dibagi dalam dua kategori, yaitu analisis batang tekan dan analisis batang tarik. Analisis ini didasarkan pada nilai gaya batang yang terjadi akibat beban luar. Setelah dilakukan analisis dengan menggunakan SAP 2000 V.11.0, maka diperoleh diperoleh hasil nilai gaya batang sebagai berikut : 3.2.1
Tabel 4.5 Resume Beban tiap Bentang
Benta ng
Panj ang Bent ang, m
Beban Mati, kg Ten gah Raft er
Be ban Tep Hid up, i Raf kg ter
Beban Angin, kg Te kan
Hi sap 7
Tabel 4.5 Nilai tarik tekan maksimum tiap bentang
lubang akibat sambungan baut. Namun perhitungan sambungan tidak dibahas dalam Tugas Akhir ini. Panja Tekan Tarik Pada perhitungan batang tarik tekan Bentan ng Maksimum Maksimum berpedoman kepada SNI 7971 tahun 2013 g Benta (N*), N (N*), N tentang Struktur baja canai dingin seperti ng, m yang telah dibahas sebelumpnya pada BAB 6 10122 9111,71 II. Untuk perhitungan batang tari tekan 7 9640,26 8624,42 Pendek tersebut menggunakan Microsoft Excel 8 13805,46 12535,75 2010. 9 14001,13 12731,86 Pada tabel berikut ditampilkan 10 21328,14 20025,12 Menen hasil dari nilai kapasitas penampang tarik 14 26721,31 25180,16 gah tekan pada setiap bentang. Untuk 18 33612,61 32055,48 mendapatkan rasio tarik dan rasio tekan 20 63136,21 61292,31 dapat menggunakan rumus gaya dalam 25 78381,77 77206,01 Panjan dibandingkan dengan kapasitas penampang. g 30 Tabel 4.6 Rasio Tarik Tekan 40 Bentan Panja ϕc. Nt, ϕc. Nc, Rasio Rasio g ng N N Tarik Tekan Nilai tekan maksimum dan tarik Bent maksimum pada tabel diatas didapatkan ang, dari nilai tekan dan tarik terbesar pada m setiap bentang. Nilai gaya batang tersebut, Pendek 6 41747 52810, 0,22 0,19 baik tekan maupun tarik ini akan digunakan ,03 52 sebagai sampel analisis desain. 7 41747 52114, 0,21 0,18 ,03 4 3.2.2 Desain Batang Tekan dan Tarik 8 41747 53175, 0,30 0,26 Pada batang tekan, desain ,03 27 dihadapkan pada antisipasi tekuk yang 9 41747 52810, 0,30 0,27 dapat terjadi pada tiap sumbu elemennya. ,03 52 Karena tekuk tersebut berpengaruh pada 10 41747 53849, 0,48 0,40 nilai struktural batang yang bersangkutan. Menen gah ,03 77 Sehingga penampang yang dipilih adalah 14 41747 53849, 0,60 0,50 penampang dengan nilai kapasitas yang ,03 77 dapat menahan tekuk yang akan terjadi. 18 417,4 53849, 0,77 0,62 Sedangkan pada batang tarik, desain 7,03 77 dihadapkan pada pemilihan penampang 20 82077 106128 0,75 0,59 yang luasannya mampu menahan gaya tarik Panjan g ,81 ,60 yang terjadi, sehingga nilai kapasitas 25 82077 106146 0,94 0,74 penampang murni ditentukan oleh luasan ,81 ,84 penampang. Hal yang juga harus 30 diperhatikan pada desain batang tarik 40 adalah perlemahan yang terjadi pada sambungan. Hal ini terjadi akibat adanya 8
Nilai rasio tarik dan tekan yang didapatkan kecil dari limit rasio yang telah ditentukan pada Tugas Akhir ini yaitu 1,00. Penempatan elemen pada sistem struktur pada perencanaan awal, di setiap bagian pada rangka atap baja ringan seperti elemen atas (top chord ), elemen bawah (bottomchord ) dan web digunakan profil Kanal C Clip 75. Apabila setelah dilakukan analisis ternyata profil tidak sanggup menahan beban, maka dilakukan perencanaan ulang dengan mengganti konfigurasi pada rangka atap tersebut atau dengan mengganti profil baja ringan dengan profil Kanal C Clip 75 yang digandakan (berbentuk box). Seperti yang terjadi pada bentang panjang (20-40 m) bahwa bentang tersebut tidak sanggup menahan beban dengan hanya menggunakan satu profil saja, maka profil yang dipakai untuk kemudian digandakan supaya dapat menahan beban.
9
