Kajian Kekuatan dan Stabilitas Struktur Bangunan Menara Tungku Pembakaran Batu Bara dengan Memperhitungkan Pengaruh Gempa, Angin dan Temperatur Tinggi

(1)

KAJIAN KEKUATAN DAN STABILITAS STRUKTUR BANGUNAN

MENARA TUNGKU PEMBAKARAN BATU BARA DENGAN

MEMPERHITUNGKAN PENGARUH GEMPA, ANGIN DAN

TEMPERATUR TINGGI

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk melengkapi syarat penyelesaian

Pendidikan sarjana teknik sipil

Oleh:

HENDRY TANADI

08 0404 073

Dosen Pembimbing :

Ir. TORANG SITORUS, MT

19571002 198601 1 001

BIDANG STUDI STRUKTUR

DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL

FAKULTAS TEKNIK

(2)

i

ΑΒSTRAK

Pada umumnya, rangka baja sering digunakan pada

bangunan-bangunan tinggi seperti menara, gudang, pabrik, gedung perkantoran dll.

Material baja pada rangka baja tersedia dalam berbagai jenis ukuran dan

mempunyai sifat – sifat yang menguntungkan dalam perencanaan struktur

bangunan .

Dalam perencanaan struktur bangunan, suatu desain rangka baja harus

mampu menahan beban - beban rencana yang umum seperti beban mati,

beban hidup, beban gempa, beban angin dan beban khusus lainya contohnya

temperatur yang tinggi. Dan untuk itu dalam Tugas Akhir ini kita akan

mengkaji kekuatan sebuah desain struktur baja portal 3D bangunan menara

tungku pembakaran batu bara untuk mengetahui ketahanan struktur tersebut

menahan beban- beban rencana yang akan diberikan.

Metode yang digunakan dalam penelitian ini dibagi menjadi tiga tahap

yaitu desain struktur, analisis dan output. Penelitian ini menggunakan

program SAP 2000 untuk menganalisis struktur 3D terhadap pengaruh beban

mati, gempa, angin dan temperatur untuk mendapatkan output berupa nilai

gaya-gaya dalam (momen, lintang, normal) maksimum dan juga besarnya

nilai deformasi maksimum akibat beban-beban yang teraplikasi pada desain

struktur baja portal 3D bangunan menara tungku pembakaran batu bara.

(3)

ii

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis ucapkan atas kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah

memberikan anugrah, berkat dan karunia-Nya hingga terselesaikannya tugas akhir ini

dengan judul “Kajian Kekuatan dan Stabilitas Struktur Bangunan Menara Tungku Pembakaran Batu Bara dengan Memperhitungkan Pengaruh Gempa, Angin dan Temperatur Tinggi”.

Tugas akhir ini disusun untuk diajukan sebagai syarat dalam ujian sarjana

teknik sipil bidang studi struktur pada fakultas teknik Universitas Sumatera Utara

Medan. Penulis menyadari bahwa isi dari tugas akhir ini masih banyak

kekurangannya. Hal ini disebabkan keterbatasan pengetahuan dan kurangnya

pemahaman penulis. Untuk penyempurnaannya, saran dan kritik dari bapak dan ibu

dosen serta rekan mahasiswa sangatlah penulis harapkan.

Penulis juga menyadari bahwa tanpa bimbingan, bantuan dan dorongan dari

berbagai pihak, tugas akhir ini tidak mungkin dapat diselesaikan dengan baik. Oleh

karena itu pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih yang

sebesar-besarnya kepada kedua orang tua yang senantiasa penulis cintai yang dalam

keadaan sulit telah memperjuangkan hingga penulis dapat menyelesaikan

perkuliahan ini.

Ucapan terima kasih juga penulis ucapkan kepada :

1. Bapak Ir. Torang Sitorus, M.T. selaku dosen pembimbing yang telah bersedia

meluangkan waktu untuk memberikan saran dan bimbingan

2. Bapak Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan selaku dosen pembanding yang telah

memberikan kritikan dan nasehat yang membangun serta selaku ketua

(4)

iii 3. Bapak Ir. Besman Surbakti, M.T. selaku dosen pembanding yang telah

memberikan kritikan dan nasehat yang membangun

4. Bapak Ir. Syahrizal, M.T. selaku sekretaris Departemen Teknik Sipil Fakultas

Teknik USU

5. Kedua orang tua penulis yang turut mendukung segala kegiatan akademis

penulis

6. Seluruh pegawai administrasi yang telah memberikan bantuan dan kemudahan

dalam penyelesaian administrasi

7. Rekan-rekan mahasiswa yang telah memberikan semangat kepada penulis,

stambuk 08, Mutiara, Arvan, Felix, Agus, Wira, Handiman, Edward, dan lainya

serta senior-senior dan adik-adik yang memberikan dukungan serta info

mengenai kegiatan sipil.

Walaupun dalam menyusun Tugas akhir ini penulis telah berusaha untuk

mengkaji dan menyampaikan materi secara sistematis dan terstruktur, tetapi tentunya

Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Kritik dan saran yang membangun

tentulah sangat penulis harapkan di kemudian hari.

Medan, September 2015

Penulis

(5)

iv

DAFTAR ISI

ABSTRAK ...i

KATA PENGANTAR...ii

DAFTAR ISI...iv

DAFTAR GAMBAR...vii

DAFTAR TABEL ...xii

DAFTAR NOTASI...xiii

BAB I. PENDAHULUAN...1

I.1. Latar Belakang ...1

I.2. Perumusan Masalah ...4

I.3. Maksud dan Tujuan...5

I.4. Pembatasan Masalah ...5

I.5. Metodologi ...6

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ...7

II.1. Pendahuluan...7

II.2. Karakteristik Baja ...7

II.3. Bentuk – Bentuk Profil Baja...18

II.4. Perencanaan Struktur ...21

II.4.1. Umum...₂₁

II.4.2. Ketentuan Perencanaan Pembebanan...₂₁

II.4.3. Pembebanan...₂₂

II.4.3.1. Beban Mati (Dead Load)...₂₂

II.4.3.2. Beban Hidup (Live Load)...₂₃

II.4.3.3. Beban Angin (Wind Load)...₂₃

II.4.3.4. Beban Gempa...₂₄

(6)

v

II.4.3.4.b.Klasifikasi Situs....₂₈

II.4.3.4.c. Faktor Respon Gempa....₂₉

II.4.3.4.d. Arah Pembebanan Gempa....₃₂

II.4.3.5. Temperatur...₃₂

II.4.4. Kombinasi Pembebanan Metode LRFD...₃₅

II.5. Program SAP 2000 ...35

BAB III. METODE PENELITIAN ...37

III.1. Umum ...37

III.2. Kerangka Pikiran ...38

III.3. Tahap Analisis ...40

III.3.1. Studi Literatur...₄₀

III.3.2. Pengumpulan Data...₄₁

III.3.3. Perhitungan Beban...₄₁

III.3.4. Analisis Respon Spektrum...₄₁

BAB IV. ANALISIS DAN PEMBAHASAN ...43

IV.1. Permodelan Struktur...43

IV.1.1. Data Struktur...₄₃

IV.1.2. Konfigurasi Gedung...₄₆

IV.1.3. Permodelan di SAP...₄₇

IV.1.4. Data Material...₅₁

IV.1.5. Dimensi dan Penampang Struktur...₅₁

IV.1.5.1. Dimensi Balok...₅₁

IV.1.5.2. Dimensi Kolom...₅₃

IV.2. Pembebanan Struktur ...53

IV.2.1. Berat Sendiri...₅₃

IV.2.2. Berat Mati (Dead Load)...₅₃

(7)

vi

IV.2.4. Perhitungan Beban Gravitasi...₅₄

IV.2.5. Perhitungan Beban Angin...₅₆

IV.2.5.1. Perhitungan Beban Angin Arah Memanjang (XZ)...₅₆

IV.2.5.2. Perhitungan Beban Angin Arah Melintang (YZ)...₅₉

IV.3. Gempa ...63

IV.3.1. Data Gempa...₆₃

IV.3.2. Faktor Reduksi Gempa...₆₅

IV.4. Perhitungan Dengan Program SAP 2000 ...65

IV.5. Hasil Analisis Gaya-Gaya Dalam dan Deformasi...74

IV.5.1. Aplikasi Beban-Beban Pada Portal Dalam SAP 2000...₇₆

IV.5.2. Hasil Analisis Gaya-Gaya Dan Deformasi Pada Bangunan Tanpa Aplikasi Temperatur...₇₉

IV.5.2.1. Bidang Momen Portal Struktur Bangunan...₇₉

IV.5.2.2. Bidang Lintang Portal Struktur Bangunan...₈₇

IV.5.2.3.Bidang Normal Portal Struktur Bangunan...₉₄

IV.5.2.4. Deformasi Pada Portal Struktur Bangunan...₉₇

IV.5.3. Hasil Analisis Gaya-Gaya Dan Deformasi Pada Bangunan Dengan Aplikasi Temperatur...₁₀₀

IV.5.3.1. Bidang Momen Portal Struktur Bangunan...₁₀₀

IV.5.3.2. Bidang Lintang Portal Struktur Bangunan...₁₀₈

IV.5.3.3. Bidang Normal Portal Struktur Bangunan...₁₁₅

IV.5.3.4.Deformasi Pada Portal Struktur Bangunan...₁₁₈

IV.5.4. Hasil Analisis Gaya-Gaya Dan Deformasi Maksimum Pada Struktur Bangunan...₁₂₂

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ...124

V.1. Kesimpulan...124

V.2. Saran ...128

(8)

vii

DAFTAR GAMBAR

BAB I

Gambar 1.1 Struktur Bangunan Menara Tungku Pembakaran Batu Bara...4

BAB II Gambar 2.1 Hubungan Tegangan-Regangan Untuk Uji Tarik Pada Baja Lunak... 10

Gambar 2.2 Penentuan Tegangan Leleh ... 14

Gambar 2.3 Sumbu Utama Profil... 19

Gambar 2.4 Sumbu Bahan dan Sumbu Bahan Profil... 20

Gambar 2.5 Spektrum Respons Desain ... 31

Gambar 2.6 Variasi Sifat Mekanis Baja Terhadap Temperatur... 34

BAB III Gambar 3.1 Tampak Atas Desain Rangka Bangunan... 39

Gambar 3.2 Tampak Depan Desain Rangka Bangunan... 39

Gambar 3.3 Tampak Samping Desain Rangka Bangunan... 40

Gambar 3.4 Diagram Alir Metodologi Penilitian ... 42

BAB IV Gambar 4.1 Gambar Portal Arah X ... 44

Gambar 4.2 Gambar Portal Arah Y ... 45

Gambar 4.3 Gambar Portal pada Elevasi +3,30m ... 46

Gambar 4.4 Permodelan Gedung 3D ... 47

Gambar 4.5 Permodelan Struktur Arah XY... 48

(9)

viii

Gambar 4.7 Permodelan Struktur Arah YZ ... 50

Gambar 4.8 Sketsa Pembebanan Tungku ... 54

Gambar 4.9 Sketsa Pembebanan Balok Atap Arah Memanjang ... 55

Gambar 4.10 Sketsa Pembebanan Balok Atap Arah Melintang ... 55

Gambar 4.11 Sketsa Pembebanan Angin Arah Memanjang... 56

Gambar 4.12 Sketsa Pembebanan Angin Arah Melintang ... 59

Gambar 4.13 Respon Spektrum Struktur Baja... 65

Gambar 4.14 Hasil Permodelan 3D Struktur Bangunan Pada SAP 2000... 76

Gambar 4.15 Aplikasi Beban Tungku Pada Struktur... 76

Gambar 4.16 Aplikasi Beban Angin Arah XZ Pada Struktur... 77

Gambar 4.17 Aplikasi Beban Angin Arah YZ Pada Struktur... 77

Gambar 4.18 Aplikasi Respon Spektrum Pada Struktur... 78

Gambar 4.19 Aplikasi Temperatur Pada Struktur... 78

Gambar 4.20 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Portal A - A ... 79

Gambar 4.21 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Portal B - B... 80

Gambar 4.22 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Portal 1 - 1 ... 80

Gambar 4.23 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Portal 2 - 2 ... 81

Gambar 4.24 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Tungku Struktur 3D... 81

Gambar 4.25 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Angin pada Portal A - A... 82

Gambar 4.26 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Angin pada Portal B - B ... 82

Gambar 4.27 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Angin pada Portal 1 - 1... 83

Gambar 4.28 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Angin pada Portal 2 - 2... 83

Gambar 4.29 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Angin pada Struktur 3D ... 84

Gambar 4.30 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Portal A - A ... 84

Gambar 4.31 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Portal B - B... 85

Gambar 4.32 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Portal 1 - 1 ... 85

(10)

ix

Gambar 4.34 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Struktur 3D... 86

Gambar 4.35 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Portal A - A ... 87

Gambar 4.36 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Portal B - B... 87

Gambar 4.37 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Portal 1 - 1 ... 88

Gambar 4.38 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Portal 2 - 2 ... 88

Gambar 4.39 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Tungku Struktur 3D... 89

Gambar 4.40 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Angin pada Portal A - A... 89

Gambar 4.41 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Angin pada Portal B - B ... 90

Gambar 4.42 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Angin pada Portal 1 - 1... 90

Gambar 4.43 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Angin pada Portal 2 - 2... 91

Gambar 4.44 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Angin pada Struktur 3D ... 91

Gambar 4.45 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Portal A - A ... 92

Gambar 4.46 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Portal B - B... 92

Gambar 4.47 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Portal 1 - 1 ... 93

Gambar 4.48 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Portal 2 - 2 ... 93

Gambar 4.49 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Struktur 3D ... 94

Gambar 4.50 Bidang Normal Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Portal A - A... 94

Gambar 4.51 Bidang Normal Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Portal B - B ... 95

Gambar 4.52 Bidang Normal Akibat Kombinasi Beban Angin pada Portal A - A ... 95

Gambar 4.53 Bidang Normal Akibat Kombinasi Beban Angin pada Portal B - B ... 96

Gambar 4.54 Bidang Normal Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Portal A - A ... 96

Gambar 4.55 Bidang Normal Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Portal B - B ... 97

Gambar 4.56 Deformasi Arah YZ Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Portal 1 - 1 ... 97

Gambar 4.57 Deformasi Arah XZ Akibat Kombinasi Beban Angin pada Portal A - A... 98

Gambar 4.58 Deformasi Arah XZ Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Portal A - A ... 98

Gambar 4.59 Deformasi Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Struktur 3D ... 99

(11)

x

Gambar 4.61 Deformasi Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Struktur 3D ...100

Gambar 4.62 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Portal A - A ...100

Gambar 4.63 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Portal B - B...101

Gambar 4.64 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Portal 1 - 1 ...101

Gambar 4.65 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Portal 2 - 2 ...102

Gambar 4.66 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Tungku Struktur 3D...102

Gambar 4.67 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Angin pada Portal A - A...103

Gambar 4.68 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Angin pada Portal B - B ...103

Gambar 4.69 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Angin pada Portal 1 - 1...104

Gambar 4.70 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Angin pada Portal 2 - 2...104

Gambar 4.71 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Angin pada Struktur 3D ...105

Gambar 4.72 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Portal A - A ...105

Gambar 4.73 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Portal B - B...106

Gambar 4.74 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Portal 1 - 1 ...106

Gambar 4.75 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Portal 2 - 2 ...107

Gambar 4.76 Bidang Momen Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Struktur 3D ...107

Gambar 4.77 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Portal A - A ...108

Gambar 4.78 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Portal B - B...108

Gambar 4.79 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Portal 1 - 1 ...109

Gambar 4.80 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Portal 2 - 2 ...109

Gambar 4.81 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Tungku Struktur 3D...110

Gambar 4.82 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Angin pada Portal A - A...110

Gambar 4.83 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Angin pada Portal B - B ...111

Gambar 4.84 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Angin pada Portal 1 - 1...111

Gambar 4.85 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Angin pada Portal 2 - 2...112

Gambar 4.86 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Angin pada Struktur 3D ...112

(12)

xi

Gambar 4.88 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Portal B - B...113

Gambar 4.89 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Portal 1 - 1 ...114

Gambar 4.90 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Portal 2 - 2 ...114

Gambar 4.91 Bidang Lintang Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Struktur 3D ...115

Gambar 4.92 Bidang Normal Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Portal A - A...115

Gambar 4.93 Bidang Normal Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Portal B - B ...116

Gambar 4.94 Bidang Normal Akibat Kombinasi Beban Angin pada Portal A - A ...116

Gambar 4.95 Bidang Normal Akibat Kombinasi Beban Angin pada Portal B - B ...117

Gambar 4.96 Bidang Normal Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Portal A - A ...117

Gambar 4.97 Bidang Normal Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Portal B - B ...118

Gambar 4.98 Deformasi Arah XZ Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Portal A - A ....118

Gambar 4.99 Deformasi Arah YZ Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Portal 1 - 1 ...119

Gambar 4.100 Deformasi Arah XZ Akibat Kombinasi Beban Angin pada Portal A - A...119

Gambar 4.101 Deformasi Arah XZ Akibat Kombinasi Beban Gempa pada Portal A - A ...120

Gambar 4.102 Deformasi Akibat Kombinasi Beban Tungku pada Struktur 3D ...120

Gambar 4.103 Deformasi Akibat Kombinasi Beban Angin pada Struktur 3D...121

(13)

xii

DAFTAR TABEL

BAB II

Tabel 2.1 Daftar Tegangan Dari Beberapa Jenis Baja...13

Tabel 2.2 Faktor Keutamaan I untuk Berbagai Kategori Gedung dan Bangunan ...27

Tabel 2.3 Faktor Keutamaan Gempa ...27

Tabel 2.4 Klasifikasi Situs ...29

Tabel 2.5 Koefisien Situs, Fa ...30

Tabel 2.6 Koefisien Situs, Fv ...30

BAB IV Tabel 4.1 Konfigurasi Gedung ...46

Tabel 4.2 Gaya – Gaya Dalam dan Deformasi Terbesar Dengan Kombinasi Beban Tungku ... 122

Tabel 4.3 Gaya – Gaya Dalam dan Deformasi Terbesar Dengan Kombinasi Beban Angin... 122

(14)

xiii

DAFTAR NOTASI

A = Luas penampang

A’ = Titik batas elastis

B = Titik batas plastis

C = Celcius

D = Beban mati

Es = Modulus elestisitas

E1 = Beban Gempa

E2 = Beban Gempa arah tegak lurus

F = Fahrenheit

Fa = Koefisien situs untuk perioda pendek (pada perioda 0,2 detik)

Fv = Koefisien situs untuk perioda panjang (pada perioda 1 detik)

fy = Kuat leleh tulangan (MPa)

G = Modulus geser

Ie = Faktor keutamaan Gempa

L = Panjang batang setelah mendapatkan beban

Lo = Panjang mula-mula

M = Titik Runtuh

P = Gaya aksial terfaktor (N)

Q = Beban terbagi rata

q = Tekanan dinamis

R = Faktor reduksi gempa

Ss = Parameter percepatan respons spectral MCE dari peta gempa pada perioda

(15)

xiv S1 = Parameter percepatan respons spectral MCE dari peta gempa pada perioda 1

detik, redaman 5 persen

SDS = Parameter percepatan respons spectral pada perioda pendek, redaman 5 persen

SD1 = Parameter percepatan respons spectral pada perioda 1 detik, redaman 5 persen

SMS = Parameter percepatan respons spectral MCE pada perioda pendek yang sudah

disesuaikan terhadap pengaruh kelas situs

SM1 = Parameter percepatan respons spectral MCE pada perioda 1 detik yang sudah

disesuaikan terhadap pengaruh kelas situs

T = Temperatur

T = Perioda fundamental bangunan

Ti = Temperatur batas baja

t = Tebal pelat (mm)

V = Kecepatan

W = Beban angin

γs = Berat jenis baja

ρ = Kerapatan massa udara

μ = Perbandingan poisson

σ = Tegangan

σ1 = Tegangan leleh

σu = Tegangan ultimate

ε = Regangan

AISC = America Institute of Steel Construction