Upload
zulfa-aulawi
View
253
Download
7
Embed Size (px)
DESCRIPTION
MTS
Citation preview
STRUKTUR BAJA
Dr. Ir. Mochammad Afifuddin, M.EngJurusan Teknik Sipil Universitas Syiah Kuala
Struktur Baja
• Didasarkan atas sifat material baja yang dapat menahantegangan tarik maupun tekan
• Kekuatan dan daktilitas material baja relatif tinggi
• Struktur ringan sehingga menguntungkan untuk strukturjembatan bentang panjang, bangunan tinggi, ataupunstruktur cangkang
• Waktu pengerjaan relatif singkat (tidak memerlukan set-up time)
• Disain meliputi disain elemen dan sambungan
• Kelangsingan elemen harus diperhitungkan untukmenghindari hilangnya kekuatan akibat tekuk
Struktur Baja
• Terbagi atas 3 kategori:
– Struktur rangka, dengan elemen-elementarik, tekan, dan lentur
– Struktur cangkang (elemen tarik dominan)
– Struktur tipe suspensi (elemen tarikdominan)
• Perencanaan dengan LRFD (Load and Resistance Factor Design)
Arch
Suspension
Cantilever
Tower
Skyscraper
Skyscraper
Pipeline
Dome
Dome
Sistem StrukturStruktur Baja Bangunan Industri
Bentang < 20 m -> tanpa haunch
Bentang > 20 m -> dengan haunch
Bentang 40 - 70 m
Bentang > 70 m
Rangka Batang Ruang
Sistem StrukturSistem Bracing Bangunan Industri
Panjang sampai (60-80) m
Panjang melebihi (60-80) m
Perencanaan Berdasarkan LRFD (Load and Resistance Factor Design)
• Perencanaan berdasarkan kondisi-kondisi batas
– Kekuatan (keselamatan): kekuatan, stabilitas, fatique, fracture, overturning, sliding
– Kenyamanan: lendutan, getaran, retak
• Memperhitungkan dan memisahkan probabilitasoverload dan understrength secara explisit
• Perhitungan:
iin QR
Rn = Kekuatan nominal
Q = Beban nominal
f = Faktor reduksi kekuatan
= Faktor beban
Perencanaan Berdasarkan LRFD (Baja)
Faktor Keamanan
• Faktor Beban: tergantung jenis dan kombinasiQ = 1.4 DQ = 1.2 D + 1.6 LQ = 1.2 D + 1.3 WQ = 1.2 D + 1.0 EQ = 0.9 D + 1.3 WQ = 0.9 D + 1.0 E
• Faktor Ketahanan: tergantung jenis elemen dankondisi batas– Gaya aksial tarik ft = 0.9– Gaya aksial tekan fc = 0.85– Lentur fc = 0.9– Geser balok fv = 0.9
Sifat Material Baja
• Tipikal Kurva Tegangan vs Regangan Baja
Kurva Tegangan vs Regangan Baja
Penampang Elemen TarikStruktur Baja
Penampang Elemen TekanStruktur Baja
Penampang Elemen LenturStruktur Baja
Perencanaan Batang Tarik
Perencanaan Batang Tarik
• Penggunaan baja struktur yang paling efisien adalahsebagai batang tarik, dimana seluruh kekuatan batangdapat dimobilisasikan secara optimal hingga mencapaikeruntuhan
• Batang tarik adalah komponen struktur yang memikul/ mentransfer gaya tarik antara dua titik padastruktur
• Suatu elemen direncanakan hanya memikul gaya tarikjika:
– Kekakuan lenturnya dapat diabaikan, seperti pada kabel ataurod
– Kondisi sambungan dan pembebanan hanya menimbulkangaya aksial pada elemen, seperti pada elemen rangka batang
Kuat Tarik Rencana
Nu < Nn
Nu : Gaya aksial tarik terfaktor
Nn : Kuat tarik rencana
a. Kondisi Leleh sepanjang batang:
Nn = 0.90 Ag fy
b. Kondisi Fraktur pada daerah sambungan:
Nn = 0.75 Ae fu
dimana :
Ag = luas penampang kotor
Ae = luas efektif penampang
fy = tegangan leleh
fu = kekuatan (batas) tarik
Koefisien reduksi :
0.90 untuk kondisi batas leleh
0.75 untuk kondisi batas fraktur
Kondisi fraktur lebih getas/berbahaya dan harus lebih dihindari
Kondisi fraktur lebih getas/berbahaya dan harus lebih dihindari
Luas Kotor dan Luas Efektif
• Penggunaan luas Ag pada kondisi batas leleh dapat digunakanmengingat kelelehan plat pada daerah berlubang akan diikutioleh redistribusi tegangan di sekitarnya selama bahan masihcukup daktail (mampu berdeformasi plastis cukup besar) sampaifraktur terjadi.
• Kondisi pasca leleh hanya diijinkan terjadi pada daerahkecil/pendek disekitar sambungan, karena kelelehan padaseluruh batang akan menimbulkan perpindahan relatif antarakedua ujung batang secara berlebihan dan elemen tidak mampulagi berfungsi.
• Batas Leleh: Pada sebagian besar batang, diperhitungkansebagai penampang utuh => Ag
• Batas Fraktur: Pada daerah pendek disekitar perlemahan, diperhitungkan penampang yang efektif => Ae
Penampang Efektif, Ae
Pada daerah sambungan terjadi perlemahan:
Shear lag => luas harus direduksi dengan koefisien U
Pelubangan => pengurangan luas sehingga yang
dipakai pada daerah ini adalah luas bersih An
Ae = An U
Shear Lag
Tegangan tarik yang tidak merata pada daerah sambungan karena
adanya perubahan letak titik tangkap gaya P pada batang tarik :
Di tengah bentang: pada berat penampang
Di daerah sambungan: pada sisi luar penampang yang bersentuhan
dengan elemen plat yang disambung.
x
P P
Koefisien Reduksi Penampangakibat Shear Lag
Bagian plat siku vertikal memikul sebagian besar beban transfer dari baut.
Setelah melewati daerah transisi, pada jarak tertentu dari lokasi lubang baut, barulah
seluruh luas penampang dapat dianggap memikul tegangan tarik secara merata.
Daerah penampang siku vertikal mungkin dapat mencapai fraktur walaupun beban
tarik P belum mencapai harga Ag.fy.
Untuk mengantisipasi hal ini, maka dalam analisis kondisi batas fraktur digunakan
luas penampang efektif, Ae :
Ae = A U
dimana :
U : koefisien reduksi
Koefisien Reduksi Penampang
U: koefisien reduksi
9.0L
x
1U
x : eksentrisitas sambungan
L : panjang sambungan dalam arah gaya,
yaitu jarak terjauh antara dua baut pada sambungan.
Harga U dibatasi sebesar 0.9.
U dapat diambil lebih besar dari 0.9 apabila dapat dibuktikan dengan
kriteria yang dapat diterima.
Luas Penampang Efektif:Ae = A x U
a) Apabila gaya tarik disalurkan hanya oleh baut :
A = An = luas penampang bersih terkecil antara potongan 1-3 dan potongan 1-2-3
U dihitung sesuai rumus diatas
1
Potongan 1-3 : - n d t AA gn
2 u
P u P
3 Potongan 1-2-3 : u4 ts - n d t + AA
2
gn
s
dimana : Ag = luas penampang kotor t = tebal penampang
d = diameter lubang n = banyaknya lubang
s = jarak antara sumbu lubang pada sejajar sumbu komponen struktur
u = jarak antara sumbu lubang pada arah tegak lurus sumbu
Dalam suatu potongan jumlah luas lubang tidak boleh melebihi 15% luas penampang utuh.
Luas Penampang Efektif:Ae = A x U
b) Apabila gaya tarik disalurkan hanya oleh las memanjang ke elemen
bukan plat, atau oleh kombinasi las memanjang dan melintang :
A = Ag
U dihitung sesuai rumus diatas
Potongan I - I
I
P P
I
Luas Penampang Efektif:Ae = A x U
A = luas penampang yang disambung las
U = 1, bila seluruh ujung penampang di las.
Luas Penampang Efektif:Ae = A x U
d) Gaya tarik disalurkan ke elemen plat oleh las memanjang
sepanjang kedua sisi bagian ujung elemen :
A = A plat
l > 2w : U = 1.0
2w > l > 1.5 w : U = 0.87
1.5w > l > w : U = 0.75
dimana :
w : lebar plat (jarak antar garis las)
l : panjang las memanjang
Luas Penampang Efektif:Ae = A x U
Selain uraian tersebut di atas , ketentuan di bawah ini dapat digunakan :
a. Penampang-I (W, M, S pada AISC manual) dengan b/h > 2/3
atau penampang T yang dipotong dari penampang I ini dan
Sambungan pada plat sayap dengan n baut > 3 per baris (arah gaya)
U = 0.90
b. Seperti butir a., tetapi untuk b/h < 2/3, termasuk penampang tersusun:
U = 0.85
c. Semua penampang dengan banyak baut = 2 per-baris (arah gaya) :
U = 0.75
Luas Penampang Efektif
Penentuan L untuk perhitungan U pada lubang baut zigzag
Luas Penampang Efektif
Penentuan L untuk perhitungan U pada sambungan las
Luas Penampang Efektif
Penentuan x untuk perhitungan U
untuk beberapa kasus sambungan
Kelangsingan Batang Tarik
Batasan kelangsingan yang dianjurkar dalam peraturan ditentukan berdasarkan
pengalaman, engineering judgment dan kondisi-kondisi praktis untuk:
a. Menghindari kesulitan handling dan meminimalkan kerusakan dalam
fabrikasi, transportasi dan tahap konstruksi
b. Menghindari kendor (sag yang berlebih) akibat berat sendiri batang
c. Menghindari getaran
Batasan kelangsingan, ditentukan sebagai berikut:
< 240 , untuk komponen utama
< 300 , untuk komponen sekunder
dimana : = L/i
L = panjang batang tarik
i = A
Imin
Untuk batang bulat, diameter dibatasi sebesar l/d < 500
Contoh: A. Kuat Tarik Rencana
Sebuah batang tarik berupa pelat (2 x 15) cm disambungkan ke pelat
berukuran (2x30) cm dengan las memanjang sepanjang 20 cm pada
kedua sisinya, seperti terlihat pada gambar. Kedua plat yang
disambung terbuat dari bahan yang sama :
fy = 2400 kg/cm2, fu = 4000 kg/cm
2.
Berapa beban rencana, Nu, yang dapat dipikul batang tarik ?
P P
30 cm 15 cm
2 cm
2 cm 20 cm
Contoh: A. Kuat Tarik Rencana
Jawab:
Karena kedua plat yang disambung terbuat dari bahan yang sama, maka beban rencana
akan ditentukan oleh kuat tarik plat yang lebih kecil luas penampangnya, yaitu plat 2x15.
Kriteria disain : Nu < Nn
Kekuatan pelat, Nn ditentukan dari kondisi batas leleh dan fraktur :
a. Plat leleh :
Nu = Nn = 0.9 fy Ag
= 0.9 (2400 kg/cm2) ( 2x15 cm
2) = 64.8 ton
b. Plat fraktur :
Nu = Nn = 0.75 fu Ae
dimana : A = Ag = 2 x 15 cm2 = 30 cm
2
l/w = 20/15 = 1.33, jadi U diambil 0.75
Ae = A U = (30 cm2) (0.75) = 22.5 cm
2
Nu = 0.75 (4000 kg/cm2) (22.5 cm2) = 67.5 ton
Dari kedua nilai kuat rencana, Nu, yang menentukan adalah nilai yang lebih kecil.
Nu < 64.8 ton.
Contoh: B. Disain Penampang
Gaya yang harus dipikul batang tarik sepanjang 10 meter, adalah :
Beban mati: Pd = 50 ton
Beban hidup: Pl = 40 ton.
Rencanakan penampang batang tarik yang terbuat dari penampang I dengan
fy = 2400 kg/cm2
fu = 4000 kg/cm2
dengan kombinasi beban:
1.4 Pd
1.2 Pd + 1.6 Pl
Jawab :
Menghitung Beban
Beban rencana terfaktor, Nu:
Nu1 = 1.4 Pd = 1.4 (50 ton) = 70 ton
Nu2 = 1.2 Pd + 1.6 Pl = 1.2 (50 ton) + 1.6 (40 ton) = 124 ton
Nu2 menentukan.
Contoh: B. Disain Penampang
Menghitung Ag minimum :
1. Kondisi leleh: Nu < fy Ag
Ag min = 41.57
mton240009.0
ton124
2
cm
2
2. Kondisi Fraktur : Nu < fu Ae = fu An U
An >
9.0m
ton100x40075.0
ton124
2
An > 45.93 cm2
Contoh: B. Disain Penampang
Untuk batang - I disambung pada kedua sayapnya seperti pada gambar:
h
b
U = 0.90 untuk b/h > 2/3
Berdasarkan Ag > 57.41 cm2, ambil IWF-200, tf = 12 mm
lubang baut: d = 2.5 cm
Jumlah luas lubang baut pada satu irisan tegak lurus penampang
= 4 (2.5) (1.2) = 12 cm2
Maka dari kondisi fraktur diperoleh :
Ag min = An min + jumlah luas lubang baut
= 45.93 + 12 cm2
= 57.93 cm2
Contoh: B. Disain Penampang
Dari kedua kondisi batas di atas, diambil harga terbesar :
Ag min = 57.93 cm2
Menghitung i-min untuk syarat kelangsingan:
imin = L/240 = 1000/240 cm = 4.17 cm
Ambil : IWF 200.200.8.12
Cek : b/h = 1 > 2/3 OK
Ag = 63.53 cm2 > 57.93 cm
2 OK
iy = 5.02 cm > 4.17 OK (sedikit lebih boros)
Keruntuhan Geser Blok
Block shear rupture: kegagalan akibat terobeknya suatu blok pelat baja
pada daerah sambungan
s
s
s2 s1
Mode kegagalan ditahan oleh penampang pada batas daerah yang diarsir:
tegangan tarik pada penampang tegak lurus sumbu batang
tegangan geser pada penampang sejajar sumbu batang
Tipe Keruntuhan Geser Blok
1. Pelelehan geser – Fraktur tarik
Bila : fu Ant > 0.6 fu Ans :
t.Nn = t ( fu Ant + 0.6 fy Ags )
2. Fraktur geser – Pelelehan tarik
Bila : 0.6 fu Ans > fu Ant :
t.Nn = t ( fy Agt + 0.6 fu Ans )
dimana : Ags = Luas bruto yang mengalami pelelehan geser
Agt = Luas bruto yang mengalami pelelehan tarik
Ans = Luas bersih yang mengalami fraktur geser
Ant = Luas bersih yang mengalami fraktur tarik
Perencanaan Batang Tekan
Perencanaan Batang Tekan
• Kuat tekan komponen struktur yang memikulgaya tekan ditentukan:– Bahan:
• Tegangan leleh
• Tegangan sisa
• Modulus elastisitas
– Geometri:
• Penampang
• Panjang komponen
• Kondisi ujung dan penopang
Perencanaan Batang Tekan
• Kondisi batas:
– Tercapainya batas kekuatan
– Tercapainya batas kestabilan (kondisi tekuk)
• Kondisi tekuk/batas kestabilan yang perludiperhitungkan:
– Tekuk lokal elemen plat
– Tekuk lentur
– Tekuk torsi atau kombinasi lentur dan torsi
Kurva Kekuatan Kolom
• Hubungan antara Batas Kekuatan dan Batas Kestabilan
Batas Kekuatan (LRFD)
min
0.85
1 untuk 0,25
1
u n
c
y
n g cr g g y
c
ykc
N N
fN A f A A f
fL
i E
Kapasitas Aksial Batang Tekan:
iin QR
Rn = Kekuatan nominal
Q = Beban nominal
Faktor reduksi kekuatan
Faktor beban
Batas Kestabilan Inelastis
Kapasitas Aksial Batang Tekan:
; 0.85
0,25 1,2
1,43
1,6 0,67
u n c
y
n g cr g
c
c
N N
fN A f A
ycn F.658.0F2
Batas Kestabilan Elastis
2
min
; 0.85
1,25 untuk 1,2
1
1,25
1
1,25
u n c
y
n g cr g
c c
ykc
g
y
Euler
n Euler
N N
fN A f A
fL
i E
Af
P
N P
Kapasitas Aksial Batang Tekan:
Batas Kekuatan dan Kestabilan Lentur
0
50
100
150
200
250
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Kelangsingan, KL/r
Teg
an
gan
Kri
tis M
Pa
1.67 f-ijin/w fy/w 1.67 fa(ASD-AISC) fy/w(LRFD-AISC)
Panjang Tekukdan Batas Kelangsingan
• Komponen struktur dengan gaya aksial murni umumnyamerupakan komponen pada struktur segitiga (rangka-batang) atau merupakan komponen struktur dengan kedua ujung sendi. Untuk kasus-kasus ini, faktor panjang tekuk ditentukan tidakkurang dari panjang teoritisnya dari as-ke-as sambungan dengankomponen struktur lainnya.
Untuk batang-batang yang direncanakan terhadap tekan,
angka perbandingan kelangsingan dibatasi:
min
200kL
r
k cL k l l
Faktor Panjang Tekuk
• Berbagai nilai K
Tekuk Lokal
• Tekuk lokal terjadi bila tegangan pada elemen-elemen penampang
mencapai tegangan kritis pelat.
• Tegangan kritis plat tergantung dari perbandingan tebal dengan
lebar, perbandingan panjang dan tebal, kondisi tumpuan dan sifat
material.
• Perencanaan dapat disederhanakan dengan memilih perbandingan
tebal dan lebar elemen penampang yang menjamin tekuk lokal tidak
akan terjadi sebelum tekuk lentur. Hal ini diatur dalam peraturan
dengan membatasi kelangsingan elemen penampang komponen
struktur tekan:
Besarnya ditentukan dalam Tabel 7.5-1 (Tata Cara Perencanaan
Struktur Baja)
/ rb t
r
Tekuk Lentur-Torsi
• Pada umumnya kekuatan komponen struktur dengan beban
aksial tekan murni ditentukan oleh tekuk lentur. Efisiensi sedikit
berkurang apabila tekuk lokal terjadi sebelum tekuk lentur.
• Beberapa jenis penampang berdinding tipis seperti L, T, Z dan
C yang umumnya mempunyai kekakuan torsi kecil, mungkin
mengalami tekuk torsi atau kombinasi tekuk lentur-torsi
• Untuk kepraktisan perencanaan, peraturan tidak menyatakan
perlu memeriksa kondisi tekuk torsi/lentur-torsi apabila tekuk
lokal tidak terjadi kecuali untuk penampang L-ganda atau T
• Untuk komponen struktur dengan penampang L-ganda atau T
harus dibandingkan kemungkinan terjadinya tekuk lentur pada
kedua sumbu utama dengan tekuk torsi/lentur-torsi
Penampang Majemuk
Kelangsingan arah sumbu bahan x
x
x
kL
i
Kelangsingan arah sumbu bebas bahan . ky
y
y
k L
i
Kelangsingan ideal 2 2
2iy y l
m
Elemen batang harus lebih stabil dari batang majemuk
1, 2iy
l
1,2 50x
l
l
Komponen struktur yang terdiri dari beberapa elemenyang dihubungkan pada tempat-tempat tertentu, kekuatannya harus dihitung terhadap sumbu bahan dansumbu bebas bahan.
Perencanaan Balok
(Elemen Lentur)
Penampang Baja untuk Balok
Perilaku Balok Lentur
• Batas kekuatan lentur
– Kapasitas momen elastis
– Kapasitas momen plastis
• Batas kekuatan geser
Perilaku Balok Lentur - Momen
• Balok mengalami momen lentur M, yang bekerja pada sumbu z, dimana z adalah sumbu utama ( y juga sumbu utama).
• Tidak ada gaya aksial, P = 0.
• Efek geser pada deformasi balok dan kriteria leleh diabaikan.
• Penampang balok awalnya tidak mempunyai tegangan (stress-free) atau tidak ada tegangan residual.
• Penampang balok adalah homogen (E, Fy sama), yaitu seluruh penampang terbuat dari material yang sama.
• Tidak terjadi ketidakstabilan/tekuk pada balok.
x
MM
Centriod (tiik berat)
y
z
Kapasitas Balok Lenturdan Shape Factor
• Shape factor atau faktor bentuk merupakan fungsi dari bentuk penampang. Shape factor dapat dihitung sebagai berikut:
• Secara fisik, shape factor menunjukkan tingkat efisiensi penampang ditinjau dari perbandingan kapasitas maksimum atau plastis terhadap kapasitas lelehnya.
• Beberapa nilai Shape Factor:
– Penampang Persegi EmpatK = 1.5
– Penampang I K = 1.14
My
MpK
Balok Lentur -Perencanaan Geser
Vu < v Vn v = 0.90
• Vu adalah gaya geser perlu (dari beban yang bekerja)
• Vn adalah kuat geser nominal, dihitung sebagai
Vn = 0.6 fyw Aw
– Aw adalah luas penampang yang memikul geser
– fyw adalah tegangan leleh dari penampang yang memikul geser
• Untuk penampang persegi empat, Aw adalah luas total penampang,
Aw = b x h
• Untuk penampang I, Aw dianggap disumbangkan hanya oleh plat badan(web),
Aw = h x tw ; h = d – 2 tf (h adalah tinggi bersih plat badan)
• Batas kekuatan geser umumnya tidak menentukan, tetapi tetap harus dicek, terutama jika terdapat lubang atau gaya terpusat pada plat badan
SEKIAN
Any Question ???