3.1.1
Analisis dan Desain Struktur Rangka Atap
Contoh sistem struktur rangka batang bidang yng lain adalah
rangka atap seperti yang terlihat pada gambar berikut :
Gambar 3.93. Struktur
Rangka Atap
Agar
beban-beban yang bekerja pada struktur rangka batang (truss structure) dapat terpusat pada titik-titik buhul (joint), maka perlu adanya elemen
struktur yang berfungsi untuk merubah beban merata (q), menjadi beban terpusat
(Q). Pada struktur rangka batang, perlu dipasang gording untuk merubah beban merata menjadi beban terpusat, agar
tidak timbul momen lentur pada sistem struktur.
Gambar 3.94. Beban merata pada struktur rangka atap
Gambar 3.95. Beban terpusat pada struktur rangka atap
Pada struktur rangka atap, selain beban mati yang berupa berat sendiri
dari elemen-elemen konstruksi (berat penutup atap, berat rangka, gording,dll)
dan beban hidup yang diperkirakan akan bekerja pada struktur rangka, perlu
diperhitungkan juga pengaruh dari beban angin (tekanan dan hisapan). Dengan
adanya gording-gording pada titik buhul, maka beban-beban merata pada struktur
atap akan menjadi beban-beban terpusat.
Beban Angin Pada Atap :
Gambar 3.96. Beban angin pada struktur rangka atap
Tekanan
tiup angin : qa = (25-40) kg/m2
Kemiringan atap : a
Tekanan
angin : Qt = la.B.[(0,02 a +
0,4).qa]
Hisapan
angin : Qi = la.B.[(0,4).qa]
Untuk keperluan perhitungan,
beban terpusat pada titik buhul akibat tekanan angin (Qt) dan hisapan angin
(Qi), diuraikan menjadi beban yang berarah vertikal (V) dan horizontal (H) sbb
:
Tekanan
angin (Qt) : Vt = Qt cos a
; Ht = Qt sin a
Hisapan
angin (Qi) : Vi = Qi cos a
; Hi = Qi sin a
Beban Lain Pada Atap :
Beban penutup atap : qr ; Qr =
l.B.qr
Beban penutup plafond : qp ; Qp =
l.B.qp
Gambar 3.97. Beban angin pada struktur rangka atap
Detail Sambungan Sendi/ Engsel :
Gambar 3.98. Detail dan
Potongan Sambungan
Kombinasi pembebanan
yang perlu ditinjau pada analisis rangka atap adalah :
1. Pembebanan Tetap : Beban Mati + Beban Hidup
2. Pembebanan
Sementara : B.Mati + B.Hidup +
B.Angin Kiri
3. Pembebanan
Sementara : B.Mati + B.Hidup +
B.Angin Kanan
Untuk
perhitungan rangka atap dapat dilihat pada problem berikut :
Suatu struktur rangka atap baja, mempunyai konfigurasi seperti pada
gambar di bawah. Sambungan antar batang menggunakan baut berdiameter 12 mm, dan
tebal pelat buhul 10 mm.
Panjang
bentang rangka atap = 18 m, tinggi rangka = 4.5 m dan jarak antara rangka atap
(B) = 4 m.
Beban-beban
yang diperhitungkan bekerja pada rangka atap adalah :
·
Beban angin (qa) =
25 kg/m2
·
Beban penutup rangka (qr) = 50
kg/m2
·
Beban plafon (qp) =
20 kg/m2
Berat
jenis baja = 7850 kg/m3, dan modulus elastisitas baja E = 2.100.000
kg/cm2
Angka Poisson = 0.3,
dan tegangan leleh baja (fy) = 2400 kg/cm2 (BJ-37).
Gambar 3.99.
Konfigurasi StrukturRangka Atap
Untuk keperluan desain
awal, batang tepi atas dan tepi bawah dari atap, dicoba menggunakan profil siku
rangkap 2L.50.50.5. Batang vertikal dan batang diagonal menggunakan profil
siku tunggal L.70.70.7.
Dari
tabelProfil Baja, diketahui lebar dan tebal sayap profil siku L.70.70.7 dan
L.50.50.5 adalah:
|
L.70.70.7
|
L.50.50.5
|
Lebar sayap =
|
7.0 cm
|
5.0 cm
|
Tebal sayap =
|
0.7 cm
|
0.5 cm
|
Pembebanan Struktur :
B =
4m, l = 3m, la = = 3.35 m.
Kemiringan atap : tg a =
4.5/9.0 = 0.5, jadi a = 270
Tekanan angin : Qt =
la.B.[(0,02 a + 0,4).qa] = 315 kg
- Tekanan vertikal : Vt = Qt cos a = 280 kg
·
Tekanan horisontal : Ht = Qt sin a = 140 kg
Hisapan angin : Qi =
la.B.[(0,4).qa]= 134 kg
- Hisapan vertikal : Vi = Qi cos a = 120 kg
·
Hisapan horisontal :
Hi = Qi sin a = 60 kg
Penutup
atap : Qr = l.B.qr = 600 kg, dan
Penutup
plafond : Qp = l.B.qp = 240 kg
Kasus Beban 1 : Beban Mati
Kasus Beban 2 : Beban Hidup
Kasus Beban 3 : Beban Angin dari Kiri
Kasus Beban 4 : Beban Angin dari Kanan
Dengan
mengabaikan berat sendiri struktur,
Tentukan :
Analisis
Struktur, periksa kekuatan profil yang digunakan. Jika tidak memenuhi,
re-Desain Struktur di atas!
Penyelesaian :
Memilih sistem satuan
Pada kotak sistem satuan yang
tersedia, pilih sistem satuan yang akan digunakan di dalam analisis struktur
(pada contoh ini digunakan sistem satuan : kg-mm).
Menggambar bentuk struktur
Dari menu File, pilih New
Model From Template. Pada kotak dialog Model Template, pilih/ klik bentuk struktur
Slope
Truss Frame, ketikkan data-data dari konfigurasi struktur sbb :
Number of Bays = 1
Story Height = 4500
Bay Width = 18000
Klik OK.
Klik batang bawah dari
struktur. Pilih menu Edit, kemudian Divide Frame. Pada kotak dialog Divide
Selected Frame, masukkan data-data :
Divide
into = 6
Last / First Ratio = 1
Klik OK.
Langkah ini akan menyebabkan
batang bawah dari struktur, terbagi menjadi 6 bentang dengan panjang yang sama.
Klik batang-batang atas dari
struktur. Pilih menu Edit, kemudian Divide Frame. Pada kotak dialog Divide
Selected Frame, masukkan data-data :
Divide
into = 3
Last / First Ratio = 1
Klik OK.
Langkah ini akan menyebabkan
batang bawah dari struktur, terbagi menjadi 3 bentang dengan panjang yang sama.
Dari menu Draw, pilih Draw Frame Element untuk menggambar
bentuk struktur sesuai dengan yang direncanakan. Penggambaran
elemen-elemen dilakukan dengan menghubungkan joint-joint yang sudah terbentuk
pada struktur.
Mendefenisikan Karakteristik Material
Untuk
mendefenisikan karakteristik dan material baja yang digunakan, dilakukan sbb :
-
Dari
menu Define, pilih Material untuk menampilkan kotak dialog
Define Material.
-
Pilih STEEL, kemudian klik
tombol Modify/Show Material.
-
Pada kotak Material
Property Data masukkan data-data dari material :
Mass per unit Volume = 0
Weight
per Unit Volume = 0.00000785
Modulus of Elasticity = 21000
Poisson ratio = 0.30
Coef of thermal expansion = 0
Steel yield stress, fy = 24
Klik OK.
Gambar
3.100. Data
Masukan untuk Material Baja (Steel)
Mendefenisikan Dimensi Elemen
Untuk
mendefenisikan dimensi dari profil siku tunggal L.70.70.7 yang digunakan,
dilakukan sbb :
-
Dari menu Define, pilih Frame
Section untuk menampilkan kotak dialog Define Frame Section.
-
Pada kotak Define Frame
Section, klik Add I/Wide Flange, kemudian Add Angle.
-
Pada kotak Angle Section,
masukkan data-data sbb :
Section Nama : FSEC2
Material : STEEL
Dimension : - Outside vertikal leg = 70
:
- Outside horisontal leg = 70
: - Horisontal leg thickness =
7
: - Vertical leg thickness =
7
Klik OK.
Untuk
mendefenisikan dimensi dari profil siku rangkap L.50.50.5, dilakukan cara sbb :
-
Pada kotak Define Frame
Section, klik Add Double Angle.
-
Pada kotak Double Angle Section, masukkan
data-data sbb:
Section Nama : FSEC3
Material : STEEL
Dimension : - Outside Depth =
50
:
- Outside Width = 110
: - Horisontal leg thickness =
5
: - Vertical leg thickness =
5
: - Back to back Distance =
10
Klik OK.
Gambar 3.101. Data Masukan untuk Profil Siku TunggalL.70.70.7
Gambar
3.102. Data
Masukan untuk Profil Siku Rangkap 2-L.50.50.5
Nama penampang bisa diganti sesuai yang diinginkan (mis FSEC2 bisa diganti dengan L70, dst)
Penempatan Elemen Pada Sistem Struktur
Untuk
mendefenisikan penempatan elemen-elemen yang digunakan pada sistem struktur,
dilakukan dengan prosedur sbb.:
-
Klik
batang-batang atas dan bawah dari struktur. Pilih menu Assign,
kemudian Frame dan Section. Pada kotak Define
Frame Section, pilih FSEC3, kemudian klik OK.
-
Klik
batang-batang vertikal dan diagonal dari struktur. Pilih
menu Assign, kemudian Frame dan Section. Pada kotak Define
Frame Section, pilih FSEC2, kemudian klik OK.
Mendefenisikan Kasus Beban (Load Case)
Untuk mendefenisikan 4 kasus beban
yang bekerja pda struktur yaitu : beban mati, beban hidup, angin kiri dan angin
kanan dilakukan dengan cara sbb :
Dari menu Define, pilih Static
Load Case untuk menampilkan kotak dialog Static Load Case Name.
Pada kotak ini
masukkan data-data :
Load : DL
Type : DEAD
Self
Weight Multiplier : 0 (berat
sendiri penampang diabaikan)
Load : LL
Type : LIVE
Self
Weight Multiplier : 0
Load : AKIRI
Type : WIND
Self
Weight Multiplier : 0
Load : AKANAN
Type : WIND
Self
Weight Multiplier : 0
Klik
OK.
Mendefenisikan Beban Pada Struktur
Beban pada struktur rangka (truss structure) berupa beban
yang bekerja di joint-joint struktur. Untuk mendefenisikan beban-beban pada
struktur dilakukan sbb :
Kasus Beban 1 : Beban Mati
Klik joint-joint
pada struktur yang akan dibebani beban mati sebesar 600 kg. Pilih Menu Assign, kemudian Joint Static Load,
dan Forces. Pada kotak Joint Forces, masukkan
data-data beban sbb :
Load
Case Name : DL
Load : Forces Global Z =
-600
Option : Add to
existing Load
Klik
OK.
Dengan cara yang sama, ulangi
pemasukan data untuk beban mati sebesar 300 kg dan 240 kg yang bekerja pada
struktur.
Kasus Beban 2 : Beban Hidup
Klik joint-joint pada struktur yang akan
dibebani beban hidup sebesar 100 kg. Pilih Menu Assign, kemudian Joint
Static Load, dan Forces. Pada kotak Joint Forces,
masukkan data-data beban sbb :
Load
Case Name : LL
Load : Forces Global Z =
-100
Option : Add to
existing Load
Klik
OK.
Kasus Beban 3 : Beban Angin Kiri
Klik joint-joint
pada struktur yang akan dibebani beban sebesar 280 kg dan 140 kg. Pilih Menu Assign, kemudian Joint Static Load,
dan Forces. Pada kotak Joint Forces, masukkan
data-data beban sbb :
Load
Case Name : AKIRI
Load : Forces Global Z =
-280
Forces Global X = -140
Option : Add to
existing Load
Klik
OK.
Dengan cara yang sama, ulangi
pemasukan data untuk beban-beban lainnya yang bekerja pada struktur.
Kasus Beban 4 : Beban Angin Kanan
Klik joint-joint
pada struktur yang akan dibebani beban sebesar 120 kg dan 60 kg. Pilih Menu Assign, kemudian Joint Static Load,
dan Forces. Pada kotak Joint Forces, masukkan
data-data beban sbb :
Load
Case Name : AKANAN
Load : Forces Global Z =
120
Forces Global X = -60
Option : Add to
existing Load
Klik
OK.
Dengan cara yang sama, ulangi
pemasukan data untuk beban-beban lainnya yang bekerja pada struktur.
Mendefenisikan Kombinasi Pembebanan (Load Combination)
Setelah
semua kasus beban dan pembebanan yang bekerja pada struktur dimasukkan datanya
di dalam program, kemudian perlu didefenisikan kombinasi pembebanan yang akan
ditinjau pada analisis. Untuk
mendefenisikan 3 kombinasi pembebanan yang bekerja pada struktur dilakukan sbb
:
Kombinasi
Pembebanan 1 : (Beban Mati + Beban Hidup)
-
Dari menu Define, pilih Load
Combination kemudian klik Add New Combo. Pada kotak dialog Load
Combination Data masukkan data-data :
Load
Combination Name : COMB 1
Title : TETAP
Case
Name : DL Load Case
Scale
Factor : 1
Klik Add
Load Case
Case
Name : LL Load Case
Scale
Factor : 1
Klik Add
Load Case
Klik
OK
Klik Add
New Combo
Load
Combination Name : COMB 2
Title : SEMENTARA-1
Case
Name : DL Load Case
Scale
Factor : 1
Klik Add
Load Case
Case
Name : LL Load Case
Scale
Factor : 1
Klik Add
Load Case
Case
Name : AKIRI Load Case
Scale
Factor : 1
Klik Add
Load Case
Klik
OK
Klik Add
New Combo
Load
Combination Name : COMB 3
Title : SEMENTARA-2
Case
Name : DL Load Case
Scale
Factor : 1
Klik Add
Load Case
Case
Name : LL Load Case
Scale
Factor : 1
Klik Add Load
Case
Case
Name : AKANAN Load Case
Scale
Factor : 1
Klik Add
Load Case
Klik
OK
Melakukan Analisis Struktur
Setelah
semua data yang diperlukan untuk perhitungan struktur dimasukkan di dalam
program, selanjutnya dapat dilakukan analisis struktur. Sebelum melakukan
analisis dari suatu struktur rangka batang (truss
structure), perlu diperhatikan bahwa elemen-elemen dari struktur rangka
batang dihubungkan secara sendi/engsel pada joint-jointnya, sehingga secara
teoritis pada struktur tidak timbul
momen (kecuali momen akibat berat sendiri elemen).
Untuk
menghilangkan pengaruh dari momen lentur pada struktur rangka batang, dilakukan
hal sbb :
-
Klik semua elemen dari struktur
-
Pilih menu Assign, kemudian Frame dan Release
-
Pada kotak dialog Frame
Release, klik kotak Start dan
End yang ada pada Momen 33 (Major) dan Momen 22 (Minor)
Setelah
semua elemen pada struktur di-release
momen-momen ujungnya, 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 : ATAP), kemudian klik Save. Dengan
cara ini data-data struktur akan disimpan pada file ATAP.SDB.
Gambar 3.103. Deformasi Struktur dan Lendutan pada Joint 6
Melakukan Desain Struktur
Sebelum
melakukan desain dari elemen-elemen struktur baja, terlebih dahulu harus
ditentukan metode desain yang akan digunakan. Pada
desain struktur atap ini digunakan metode ASD (Allowable Stress Design) dari American
Institute of Steel Construction (AISC). Prosedur desain dilakukan sbb :
-
Klik
semua elemen / batang dari struktur
-
Pilih
menu Option, klik Preference, kemudian klik Steel
-
Pada Steel Design Code,
pilih AISC-ASD89, kemudian klik OK
-
Pada menu Design,
kemudian klik Select Design Combos
-
Pada Design Load
Combinations Selection, pilih kombinasi pembebanan yang akan ditinjau,
yaitu : COMB1, COMB2, dan COMB3, kemudian klik OK.
-
Jika pada kotak Design
Combos terdapat kombinasi pembebanan selain COMB1, COMB2, dan COMB3,
misalnya DSTL1, maka DSTL1 harus dipindah pada kotak List of Combos,
agar DSTL1 tidak diperhitungkan di dalam proses desain. Untuk memindahkan DSTL1
pada kotak List of Combos, dilakukan dengan cara : pilih DSTL1,
klik Remove, kemudian klik OK.
-
Pilih menu Design,
kemudian klik Start Design/ Check of Structure
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.
Gambar 3.104. Data Masukan untuk Desain Struktur Baja
dengan Metode ASD
Gambar
3.105. Data Kombinasi
Pembebanan Untuk Desain.
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 diizinkan 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 diizinkan) dan dinyatakan tidak kuat, jika mempunyai harga Rasio Tegangan
> 1
Rasio
Tegangan pada elemen-elemen portal baja yang didapat dari prosedur desain
dengan Metode Tegangan Izin (ASD), diperlihatkan pada Gambar 9.
Gambar 3.106. Rasio Tegangan Pada Elemen Struktur (Desain
awal)
Gambar 3.107. Penomoran
elemen struktur
Hasil perhitungan rasio tegangan elemen-elemen struktur :
SAP2000 v7.4 File: ATAP Kgf-mm Units
PAGE 1
3/11/05 19:19:39
S T E E L S T R E S S
C H E C K O U T P U T (AISC-ASD89)
FRAME SECTION
/----------MOMENT INTERACTION
CHECK---------//----SHEAR22---//----SHEAR33---/
ID ID COMBO RATIO
= AXL + B33 +
B22 COMBO RATIO
COMBO RATIO
4 FSEC3 l/r > 300 COMB1 0,002
COMB3 0,000
COMB1 (T)
0,469 = 0,376 + 0,092 +
0,000
5 FSEC3 l/r > 300 COMB1 0,002
COMB3 0,000
COMB1 (T)
0,469 = 0,376 + 0,092 +
0,000
6 FSEC3 l/r > 300 COMB1 0,002 COMB3
0,000
COMB1 (T)
0,395 = 0,302 + 0,092 +
0,000
7 FSEC3 l/r > 300 COMB1 0,002
COMB3 0,000
COMB1 (T)
0,395 = 0,302 + 0,092 + 0,000
8 FSEC3 l/r > 300 COMB1 0,002
COMB3 0,000
COMB1 (T)
0,469 = 0,376 + 0,092 +
0,000
9 FSEC3 l/r > 300 COMB1 0,002
COMB3 0,000
COMB1 (T)
0,469 = 0,376 + 0,092 +
0,000
10 FSEC3
COMB1 0,002 COMB3
0,000
COMB1 (C)
fa > Fe
11 FSEC3 COMB1 0,002
COMB3 0,000
COMB1 (C)
fa > Fe
12 FSEC3
COMB1 0,002 COMB3
0,000
COMB1 (C)
fa > Fe
13 FSEC3
COMB1 0,002 COMB3
0,000
COMB1 (C)
fa > Fe
14 FSEC3
COMB1 0,002 COMB3
0,000
COMB1 (C)
fa > Fe
15 FSEC3
COMB1 0,002 COMB3
0,000
COMB1 (C)
fa > Fe
16 FSEC2 COMB3 0,000
COMB3 0,000
COMB1 (T)
0,020 = 0,020 + 0,000 +
0,000
17 FSEC2 kl/r > 200 COMB1 0,002
COMB3 0,000
COMB1 (C)
0,875 = 0,667 + 0,040 +
0,169
18 FSEC2
COMB3 0,000 COMB3
0,000
COMB1 (T)
0,060 = 0,060 + 0,000 +
0,000
19 FSEC2
COMB1 0,002 COMB3
0,000
COMB2 (C)
fa > Fe
20 FSEC2 l/r > 300 COMB3 0,000
COMB3 0,000
COMB1
(T) 0,178 = 0,178 + 0,000 + 0,000
21 FSEC2
COMB1 0,002 COMB3
0,000
COMB3 (C)
fa > Fe
22 FSEC2 COMB3 0,000
COMB3 0,000
COMB1 (T)
0,060 = 0,060 + 0,000 +
0,000
23 FSEC2 kl/r > 200 COMB1 0,002
COMB3 0,000
COMB1 (C)
0,875 = 0,667 + 0,040 +
0,169
24 FSEC2
COMB3 0,000 COMB3
0,000
COMB1 (T)
0,020 = 0,020 + 0,000 +
0,000
Melakukan Desain Ulang (Re-design)
Dari desain awal diketahui bahwa batang-batang atas dari
struktur rangka (profil 2-L.50.50.5) dan batang diagonal (elemen no 19 dan 21
dengan profil L.70.70.7), terdapat pesan NC (Non-Compact). Hal iniberarti bahwa
dimensi penampang elemen yang dipilih tidak memenuhi persyaratan desain. Untuk
itu perlu dilakukan desain ulang (re-design) untuk elemen-elemen tersebut.
Desain ulang dilakukan dengan cara merubah dimensi
penampang dari batang-batang yang ada. Pada desain ulang ini dicoba menggunakan
profil siku rangkap 2-L.70.70.7 untuk batang-batang atas dari struktur dan
profil siku tunggal 85.85.8,5 untuk elemen (19 & 21). Untuk mendefenisikan profil-profil tersebut dilakukan dengan cara
sbb :
-
Klik toolbar Lock/
Unlock Model pada Main Toolbar
untuk melepaskan kuncian model
-
Akan ditampilkan message box
peringatan, bahwa Unlocking Model akan menghapus semua hasil analisis yang telah
dilakukan sebelumnya. Klik OK untuk menyetujui hal ini.
Untuk
mendefenisikan dimensi dari profil siku rangkap 2L.70.70.7, dilakukan cara sbb
:
-
Pada kotak Define Frame
Section, klik Add Double Angle.
-
Pada kotak Double Angle Section, masukkan
data-data sbb:
Section Nama : FSEC4
Material : STEEL
Dimension : - Outside Depth =
70
:
- Outside Width = 150
: - Horisontal leg thickness =
7
: - Vertical leg thickness =
7
: - Back to back Distance =
10
Klik OK.
Untuk
mendefenisikan dimensi dari profil siku tungga; L.85.85.8,5 yang digunakan,
dilakukan sbb :
-
Dari menu Define, pilih Frame
Section untuk menampilkan kotak dialog Define Frame Section.
-
Pada kotak Define Frame
Section, klik Add I/Wide Flange, kemudian Add Angle.
-
Pada kotak Angle Section,
masukkan data-data sbb :
Section Nama : FSEC5
Material : STEEL
Dimension : - Outside vertikal leg = 85
:
- Outside horisontal leg = 85
: - Horisontal leg thickness =
8,5
: - Vertical leg thickness =
8,5
Klik OK.
Untuk menempatkan FSEC4 dan FSEC5
pada batang-batang struktur, dilakukan dengan cara sbb :
-
Klik
batang-batang atas dari struktur. Pilih menu Assign,
kemudian Frame dan Section. Pada kotak Define
Frame Section, pilih FSEC4, kemudian klik OK.
-
Klik
batang-batang diagonal 19 & 21 dari struktur. Pilih
menu Assign, kemudian Frame dan Section. Pada kotak Define
Frame Section, pilih FSEC5, kemudian klik OK.
Lakukan kembali Analysis, kemudian Start
Design/ Check of Structure. Tampilkan Rasio Tegangan setelah Re-design. Jika tidak ada lagi elemen
yang bertanda NC atau memiliki rasio tegangan >1, berarti elemen hasil
desain ulang aman untuk
digunakan.
Gambar 3.108.
Penempatan Profil pada Struktur Rangka Atap
Gambar 3.109. Rasio
Tegangan dari Elemen-elemen Struktur (Desain Ulang)
No comments:
Post a Comment
terimakasih telah mengunjungi blog saya.