JEMBATAN KOMPOSIT 3D

SAP2000 V.10 - ANALISIS DAN DESAIN

SAP2000 V.10 - ANALISIS DAN DESAIN STRUKTUR KOMPOSIT 3DSTRUKTUR KOMPOSIT 3D

Studi Kasus Studi Kasus

Untuk menghubungkan dua bangunan gedung, direncanakan dibuat jembatan penyeberangan, Untuk menghubungkan dua bangunan gedung, direncanakan dibuat jembatan penyeberangan, seperti pada Gambar 1. Panjang jembatan penyeberangan 20 meter. Balok-balok memanjang dari seperti pada Gambar 1. Panjang jembatan penyeberangan 20 meter. Balok-balok memanjang dari  jembatan,

 jembatan, direncanakan direncanakan dari dari profil profil baja baja IWF IWF yang yang ditumpu ditumpu oleh oleh 4 4 buah buah portal portal beton beton dengan dengan jarakjarak antara portal 8m d

antara portal 8m dan 6m. Potongan man 6m. Potongan melintang dari jembatan penyeberangan elintang dari jembatan penyeberangan seperti seperti pada Gambar 2.pada Gambar 2.

Gambar

Gambar 1. 1. Konfigurasi JemKonfigurasi Jembatan Penyeberanganbatan Penyeberangan

Gambar 2.

Gambar 2. Potongan Melintang Potongan Melintang StruktStruktur Jemur Jembatan Penyeberanganbatan Penyeberangan 6m 6m 8m8m 6m6m Jembatan Jembatan Penyeberangan Penyeberangan Penutup Penutup Lantai Lantai Profil IWF 300x150 Profil IWF 300x150 Pelat Beton 12cm Pelat Beton 12cm Dinding bata Dinding bata 1,25m 1,25m Kolom Beton Kolom Beton 50x35cm 50x35cm Balok Beton Balok Beton 50x25cm 50x25cm 4m 4m + 4m + 4m -1 m -1 m + 0,0 + 0,0

Lantai jembatan dari pelat beton tebal 12 cm, dan diatasnya terdapat lapisan penutup lantai. Berat  penutup lantai diperhitungkan sebesar 50 kg/m2.

Gambar 3. Penempatan Profil Baja IWF, Balok & Kolom Beton

Sepanjang tepi dari jembatan dipasang dinding pasangan bata setinggi 1,25 m. Beban hidup di atas  jembatan penyeberangan diperhitungkan sebesar 250 kg/m2.

Profil baja IWF 300x175 mempunyai dimensi sbb. : Tinggi badan (h) = 30 cm

Lebar sayap (b) = 15 cm Tebal badan (tw) = 0,8 cm Tebal sayap (tf ) = 1 cm

Untuk keperluan desain perlu dilakukan analisis struktur dengan menggunakan SAP2000. Struktur akan didesain dengan metode LRFD, kombinasi pembebanan ( load combination) yang ditinjau pada desain struktur adalah :

U = 1,2.D + 1,6.L; dimana D = beban mati, L = beban hidup Karakteristik Bahan Beton :

Modulus elastisitas beton = 200000 kg/cm2, Angka Poisson = 0,20, berat jenis beton = 2,4 ton/m3 = 0,0024 kg/cm3

.

Mutu tulangan pokok fy. 400 MPa (t ulangan ulir/deform), mutu tulangan sengkang fy. 240 MPa (tulangan polos/plain), dan mutu beton f’c. 20 MPa (K.250).

Untuk desain beton digunakan faktor reduksi kekuatan bahan (_{) sesuai SNI Beton 2002 yaitu :}  Bending = 0.8,  _{Shear = 0,75,}  _{Compression (Spiral) = 0.7,}  _{Compression (Tied) = 0.65.}

Karakteristik Bahan Baja :

Modulus elastisitas baja = 2100000 kg/cm2, Angka Poisson = 0,30, berat jenis baja = 7,85 ton/m3 = 0,00785 kg/cm3

.

Mutu profil baja BJ.37, dengan tegangan leleh (Fy) = 2400 kg/cm2 dan tegangan ultimate (Fu) = 3700 kg/cm2

.

Beban mati pada jembatan penyeberangan terdiri dari :

 Berat sendiri pelat, profil baja IWF, balok dan kolom portal beton (diinput secara otomatis dengan masukan berupa ukuran penampang dan berat jenis bahan)

 Penutup lantai sebesar 50 kg/m2= 0,005 kg/cm2 (diinput sebagai beban merata persatuan luas). Beban dinding bata sebesar : 1,25x250 kg/m = 312,5 kg/m = 3,125 kg/cm (diiput sebagai

h

b

tf

Data Masukan SAP2000 V.10 1. Memilih Sistem Satuan

Pada kotak sistem satuan yang tersedia, pilih sistem satuan yang akan digunakan di dalam analisis struktur ( untuk perhitungan ini digunakan sistem satuan : kg-c m ).

2. Menyusun Bentuk Stuktur

Dari menu File, pilih  New Model. Pada kotak  New Model , klik struktur portal 3 dimensi ( 3D Frames ). Pada kotak 3D Frames masukkan data konfigurasi struktur :

3D Frame Type = Beam Slab Building  Number of Stories = 1  Number of Bays, X = 2  Number of Bays, Y = 3 Story Height = 500 Bay Width, X = 200 Bay Width, Y = 800  Number of Divisions X = 1  Number of Divisions Y = 6 Klik OK.

Dengan memasukkan data-data ini, akan didapatkan model konfigurasi dari struktur seperti pada Gambar 4.

Gambar 4. Model Awal Dari Konfigurasi Struktur Sebelum Diedit.

Untuk mendapatkan konfigurasi struktur tanpa adanya kolom-kolom tengah seperti yang direncanakan, maka kolom-kolom tengah dari struktur pada model awal strukt ur harus di hapus. Untuk menghapus dilakukan dengan cara, klik semua kolom tengah yang akan dihapus, pilih menu Edit, kemudian klik menu Cut .

Pada model awal dari struktur, jarak antara kolom pada arah sumbu y adalah 800 cm. Untuk mendapatkan jarak-jarak portal 800 cm dan 600 cm seperti yang direncanakan, dapat dilakukan dengan cara menggeser portal-portal tepi pada arah sumbu y dengan menggunakan menu Edit  dan menu Move. Model konfigurasi struktur setelah di edit, diperlihatkan pada Gambar 5.

Gambar 5. Model Konfigurasi Struktur Setelah Diedit

3. Mendefinisikan Karakteristik Material

Untuk melakukan desain elemen beton (balok dan kolom) dan elemen baja (profil IWF) yang terdapat struktur jembatan penyeberangan, perlu terlebih dahulu didefinisikan karakteristik dari material beton dan baja yang digunakan. Untuk mendefinisikan material beton, dilakukan dengan cara sbb. :

Dari menu Define, pilih  Material . Pada kotak  Define Materials  pilih CONC, dan klik  Modify/Show  Material. Pada kotak Material Property Data masukkan data material :

Analysis Property Data :

Mass per unit Volume = 0

Weight per unit Volume = 0.0024

Modulus of Elasticity = 2010190

Poisson Ratio = 0.20

Coeff of Thermal Expansion = 0 Design Property Data :

Specified Conc Comp Strength, f’c = 200 Bending Reinf Yield Stress, fy = 4000 Shear Reinf Yield Stress, fys = 2400 Klik OK.

Gambar 6. Data Material Beton Bertulang Untuk mendefinisikan material baja, dilakukan dengan cara sbb. :

Dari menu Define,  pilih  Material . Pada kotak  Define  Material . pilih STEEL  dan klik  Modify/Show Material . Pada kotak Material Property Data masukkan data :

Analysis Property Data :

Mass per Unit Volume = 0

Weight per Unit Volume = 0.00785 Modulus of Elasticity = 2100000

Poisson Ratio = 0.30

Coef of thermal expansion = 0 Design Property Data :

Minimum Yield Stress, Fy = 2400 Minimum Tensile Stress, Fu = 3700 Klik OK.

4. Mendefinisikan Dimensi Elemen

Dari menu Define, pilih Frame Sections. Pada kotak Frame Properties klik Add Rectangular , klik Add  New Property. Pada kotak Rectangular Section, masukkan data balok anak :

Section Name : BALOK

Dimension : - Depth = 50 : - Width = 25

Material : CONC

Klik Concrete Reinforcement . Pada kotak Reinforcement Data masukkan data :

Design Type : Beam

Concrete Cover to Rebar Center : Top = 4

Bottom = 4

Klik OK 

Pada kotak Frame Properties klik Add Copy of Property. Pada kotak  Rectangular Section masukkan data :

Section Name : KOLOM

Dimension : - Depth = 50 : - Width = 35

Material : CONC

Klik Concrete Reinforcement . Pada kotak Reinforcement Data masukkan data :

Design Type : Column

Configuration of Reinforcement : Rectangular

Lateral Reinforcement : Ties

Cover to Rebar Center : 4

 Number of Bars in 3-dir : 0  Number of Bars in 2-dir : 0

Check/Design : Reinforcement to be Designed

Klik OK.

Pada kotak  Frame Properties  klik  Add I/Wide Flange, klik  Add New Property. Pada kotak  I/Wide  Flange Section, masukkan data profil IWF seperti pada gambar di bawah :

Section Name : IWF

Material : STEEL

Dimensions :

Outside height ( t3 ) : 30

Top flange width (t2 ) : 15 Top flange thickness ( tf ) : 1

Web thickness : 0.8

Bottom flange width ( t2b ) : 15 Bottom flange thickness ( tfb ) : 1 Klik OK.

Gambar 8. Data Masukan Profil Baja IWF

Dari menu Define, pilih Area Sections. Pada kotak Area Sections klik Add New Section. Pada kotak Shell Section Data, masukkan pelat :

Section Name : PELAT

Type : Plate-Thin

Material Name : CONC

Material Angle : 0

Thickness :

Membrane : 12

Bending : 12

Klik OK.

5. Penempatan Elemen Pada Sistem Struktur

Untuk menampilkan joint-joint pada struktur, pilih menu View, klik Set Display Options. Pada kotak  Display Options For Active Window pilih Joint , kemudian klik Invisible.

Untuk menyusun elemen balok dan kolom pada strukt ur, dilakukan sbb. :

 Klik semua balok arah sumbu Y dari struktur. Pilih menu Assign,  Frame/Cable/Tendon  dan  Frame Section. Pada kotak Frame Property, pilih IWF, klik OK .

 Klik semua balok arah sumbu X dari struktur. Pilih menu Assign,  Frame/Cable/Tendon dan  Frame Section. Pada kotak Frame Property, pilih BALOK, klik OK.

 Klik semua kolom dari struktur. Pilih menu Assign, Frame/Cable/Tendon dan Frame Section. Pada kotak Frame Property, pilih KOLOM, klik OK.

Untuk menyusun elemen pelat pada struktur, dilakukan sbb. :

 Klik semua elemen pelat pada struktur. Pilih menu Assign, klik Area dan Section. Pada kotak  Area Sections, klik PELAT, klik OK.

Untuk melihat konfigurasi perspektif dari struktur dan elemen-elemennya, gunakan menu View, Set  Display Options.  Pada kotak  Display Options For Active Window  klik  Extrude View  pada kotak

General .

Untuk mengatur posisi dari kolom-kolom struktur seperti yang direncanakan, dapat dilakukan dengan menggunakan menu Assign, Frame/Cable/Tendon, dan Local Axes untuk memutar sumbu kolom.

6. Mendefinisikan Jenis Tumpuan

Klik semua joint yang merupakan tumpuan struktur. Pilih menu Assign, kemudian  Joint  dan  Restraints. Di dalam kotak Joint Restraints, pada Fast Joint Restraints, klik tumpuan jepit, klik OK .

7. Mendefinisikan Kasus Beban, Kasus Analisis, Dan Kombinasi Pembebanan

Beban yang ditinjau bekerja pada struktur adalah kombinasi antara beban mati dan beban hidup dengan faktor beban sebesar 1,2  dan 1,6. Untuk mendefinisikan kasus beban (load case), kasus analisis (analysis case), dan kombinasi pembebanan yang ditinjau bekerja pada struktur, dilakukan sbb. :



Dari menu Define, pilih Load Cases. Pada kotak Defines Load masukkan data :

Load Name = DEAD

Type = DEAD

Self Weight Multiplier = 1

Load Name = LIVE

Type = LIVE

Self Weight Multiplier = 0 Klik OK.



Dari menu Define, pilih Analysis Cases. Pada kotak Analysis Case masukkan data :

Case Name = DEAD

Case Type = Linear Static

Load Name = LIVE

Case Type = Linear Static



Hapus Case Name (MODAL) dengan menggunakan Delete Case.



Dari menu Define, pilih Combinations. Pada kotak Define Respons Combinations, klik Add New

Combo. Pada kotak Respons Combination Data masukkan data : Respons Combination Name : COMB 1

Combination Type : Linear Add

Case Name : DEAD

Case Type : Linear Static

Scale Factor : 1.2

Klik Add

Combination Type : Linear Add

Case Name : LIVE

Case Type : Linear Static

Scale Factor : 1.6

Klik OK.

Load Case Name : DEAD

Unit : Kg, cm, C

Uniform Load :

Load : -0.005

Coor System : Globals

Direction : Z

Options : Replace Existing Loads Klik OK.

Untuk memasukkan beban dinding pada struktur, dilakukan sbb. : Klik profil-profil IWF yang terletak ditepi, pilih menu Assign, kemudian Frame/Cable/Tendon Loads, klik Distributed. Pada kotak Frame  Distributed Loads masukkan data beban dinding sebesar 3,125 kg/cm sbb. :

Load Case Name : DEAD

Unit : Kg, cm, C

Load Type and Directions : Forces

Coord Sys : GLOBAL

Direction : Z

Options : Replace Existing Loads Uniform Load : -3.125

Klik OK. B. Beban Hidup

Klik semua elemen pelat. Pilih menu Assign, kemudian Area Loads, dan Uniform (Shell ) Distributed . Pada kotak Area Uniform Loads masukkan data beban hidup merata 0.025 kg/cm2 :

Load Case Name : LIVE

Unit : Kg, cm, C

Uniform Load :

Load : -0.025

Coor System : Globals

Direction : Z

Options : Replace Existing Loads Klik OK.

9. Mendefinisikan Faktor Reduksi Kekuatan Dan Tipe Rangka/Portal Beton

Untuk melakukan desain struktur beton, perlu didefinisikan Faktor Reduksi Kekuatan Bahan (Strength Reduction F actors ) yang akan digunakan di dalam proses desain sbb. :

Dari menu Options, klik Preferences, kemudian Concrete Frame Design. Pada kotak Concrete Frame  Design Preferences, masukkan data :

Design Code : ACI 318-99

Phi (Bending Tension) = 0,8

Phi (Compression Tied) = 0,65 Phi (Compression Spiral) = 0,7

Phi (Shear) = 0,75

Gambar 9. Data Masukan Untuk Faktor Reduksi Kekuatan Bahan (₎

Karena struktur portal beton direncanakan sebagai portal elastis (tidak daktail), maka untuk melakukan desain struktur, dilakukan sbb. :

Klik semua elemen dari struktur beton. Pilih menu Design, klik Concrete Frame Design, klik View/Revise Overwrite. Pada kotak Concrete Frame Design Overwrites for ACI 318-99, masukkan data :

Framing Type : Sway Ordinary Klik OK.

10. Menentukan Metode Desain Struktur Baja

Sebelum melakukan desain struktur baja, terlebih dahulu harus ditentukan metode desain yang akan digunakan. Desain struktur baja dapat dilakukan dengan metode LRFD (L oad Resistance F actor  Design ) atau metode ASD (Al lowable Stress Desi gn ). Untuk stuktur jembatan penyeberangan ini akan didesain dengan metode LRFD.

Klik semua elemen dari struktur baja. Dari menu Options, pilih  Preferences, kemudian Steel Frame  Design. Pada kotak Steel Frame Design Preference, masukkan data :

Design Code : AISC-LRFD93

Framing Type : Moment Frame

Phi (Bending) = 0,9

Phi (Compression) = 0,85

Phi (Tension) = 0,9

Phi (Shear) = 0,9

Phi (Compression, Angle) = 0,9 Consider Deflection : Yes Stress Ratio Limit = 1 Klik OK.

Gambar 11. Data Masukan Untuk Desain Struktur Baja

11. Mendefinisikan Kombinasi Pembebanan Yang Ditinjau Pada Desain Struktur

Sebelum melakukan analisis dan desain st ruktur, perlu terlebih dahulu ditentukan kombinasi  pembebanan (load combination) yang akan ditinjau di dalam desain, sbb. :

Pilih menu Design, klik Concrete Frame Design, klik Select Design Combos.

Pada  Design Load Combination Selections, dari kotak  List of Combo  pilih kombinasi pembebanan yang akan dianalisis yaitu COMB1, kemudian klik Add . Dengan cara ini kombinasi pembebanan yang dipilih akan berpindah ke kotak Design Combos.

Kombinasi pembebanan lainnya yang tidak dianalisis harus dihilangkan dari kotak  Design Combos. Pilih kombinasi pembebanan yang tidak dianalisis, klik Remove. Klik OK.

Pada  Design Load Combination Selections, dari kotak  List of Combo  pilih kombinasi pembebanan yang akan dianalisis yaitu COMB1, kemudian klik Add . Dengan cara ini kombinasi pembebanan yang dipilih akan berpindah ke kotak Design Combos.

Kombinasi pembebanan lainnya yang tidak dianalisis harus dihilangkan dari kotak  Design Combos. Pilih kombinasi pembebanan yang tidak dianalisis, klik Remove. Klik OK.

Gambar 12. Kombinasi Pembebanan Yang Di Desain (COMB1)

Sebelum melakukan analisis, file data masukan perlu terlebih dahulu disimpan. Penyimpanan data masukan dilakukan sbb. :

Pilih menu File, kemudian klik Save As. Pada kotak Save Model File As, ketikan nama file misal JEMBATAN KOMPOSIT, klik Save. Dengan cara ini file akan disimpan dengan nama JEMBATAN KOMPOSIT SDB. Untuk melakukan analisis struktur, pilih menu Analyze, kemudian klik  Run  Analyze.

12. Desain Struktur Beton

Untuk desain dari struktur beton dilakukan sbb. :

Pilih menu Design, klik Concrete Design Frame, kemudian klik Start Design/Check of Structure. Untuk menampilkan tulangan lentur (longitudinal reinforcing ), jumlah tulangan geser ( shear reinforcing ), atau tulangan torsi (torsion reinforcing ), dilakukan sbb. :

Pilih menu Design, klik Concrete Design Frame, kemudian klik  Display Design Info. Pada kotak  Display Concrete Design Results (ACI 318-05), pilih  Design Output , kemudian pilih Longitudinal

Gambar 13a. Tulangan Pokok ( Longitudinal Reinforcing ) Pada Portal Beton –  Satuan : cm2

13. Desain Struktur Baja

Untuk desain dari struktur baja dilakukan sbb. :

Pilih menu Design, pilih Steel Design, kemudian Start Design/Check of Structure. Hasil desain dari struktur baja akan ditampilkan dalam bentuk grafis berupa nilai rasio tegangan ( stress ratio) dari masing-masing elemen struktur.

Untuk menampilkan nilai rasio tegangan (str ess r ati o ) dari elemen struktur baja, dilakukan sbb. : Pilih menu Design, klik Steel Design Frame, kemudian klik Display Design Info. Pada kotak Display Steel Design Results (AISC-LRFD93), pilih P-M Ratio Colors & Values, klik OK .

Gambar 14. Rasio Tegangan Pada Profil Baja (Steel P-M Interaction Ratio)

Catatan : Untuk profil-profil yang berwarna merah atau yang nilai rasio tegangannya > 1, ukuran profil harus diperbesar)

14. Menampilkan Gaya Dalam Elemen (L ocal E lement F orces )

Untuk menampilkan gambar dilayar monitor, seperti pembebanan pada struktur,

deformasi

struktur, diagram momen lentur M33 dan M22, diagram gaya geser V22 dan V33, diagram gaya aksial P, dan momen puntir/torsi T, digunakan menu Display.

Untuk menampilkan gaya-gaya dalam di elemen frame seperti momen lentur, gaya geser, gaya aksial, dan torsi, dilakukan sbb. :



Pilih menu Display, kemudian Show Force Stresses, kemudian klik Frames/Cables.



Pada kotak Member Forces Diagram for Frames, pilih kasus atau kombinasi pembebanan yang

akan ditampilkan.

Gambar 15a. Diagram Momen Lentur (M3) Pada Struktur

Gambar 15c. Diagram Gaya Aksial/Normal (P) Pada Struktur

Gambar 15d. Diagram Torsi (T) Pada Struktur

Untuk menampilkan momen lentur di pelat, dilakukan sbb. :



Pilih menu Display, kemudian Show Force/ Stresses, kemudian klik Shells.



Pada kotak Member Forces Diagrams, masukkan data :

Untuk menampilkan momen lentur pada elemen shell (pelat), pada kotak Component bisa dipilih M11 atau M22. M11 adalah momen lentur pada pelat pada arah sumbu lokal pelat 1, M22 adalah momen lentur pada pelat pada arah sumbu lokal pelat 2.

Untuk menampilkan sumbu lokal dari pelat, pilih menu View, kemudian klik  Set Display Options, Pada kotak Display Options For Active Window pilih Areas, klik Local Axes, klik OK.

Gambar 16a. Momen Lentur Pelat (M11) –  Arah Sumbu X