DAFTAR ISI
HALAMAN
LEMBAR JUDUL ... i
KATA PENGANTAR ... ... ii
UCAPAN TERIMA KASIH... ... ... iii
DAFTAR ISI ... ... iv
DAFTAR TABEL ... ... v
DAFTAR GAMBAR ... ... vi
ABSTRAK ... ... vii
BAB 1PENDAHULUAN ... 9
1.1.Umum ... 9
1.2. Latar Belakang Masalah... 12
1.3. Maksud dan Tujuan... 14
1.4. Perumusan Masalah... 15
1.5. Pembatasan Masalah...16
1.6. Metodologi Penulisan... 17
BABIITEORI DASAR... 18
2.1.1. Desain Konstruksi ... 18
2.1.2. Prosedur Desain ... 18
2.1.3. Keuntungan Baja Sebagai Material Konstruksi ... 19
2.1.4. Kelemahan Baja Sebagai Material Konstruksi ... 20
2.1.5. Sifat – Sifat Mekanis Baja Struktural ... 20
2.1.6. Jenis – Jenis Baja Struktural yang Umum Digunakan ... 21
2.1.7. Hubungan Antara Tegangan dan Regangan pada Konstruksi Baja ... 22
2.2. Struktur Statis Tertentu dan Statis Tak-Tentu ... 24
2.3. Kinematisme Struktur ... 30
2.4. Metode Perencanaan Konstruksi Baja ... 31
2.4.1. Metode ASD (Allowable Stress Design) ... 31
2.4.2. Metode LRFD (Load Resistance Factor Design)... 32
2.5. Teori Metode Elemen Hingga (FEM)………... 33
2.5.1 Deskripsi Model Matematis……… 34
2.6. Pembebanan ... 36
2.6.1.Beban Mati...37
2.6.2. Beban Hidup ... 38
2.6.3. Beban Angin ... 38
2.7. Castellated Beam ... 40
2.7.1 Analisa dan Perencanaan Balok Castellated ... 41
3.1. Pendahuluan ... 47
3.2. Elemen Segitiga Linear ... 59
3.2.1 Pembentukan Persamaan Bentuk Elemen Segitiga ... 50
3.2.2 Matriks Regangan ... 52
3.2.3 Elemen Matriks ... 54
3.3. Elemen Segiempat Linear ... 56
3.3.1 Pembentukan Persamaan Bentuk Elemen Segiempat ... 57
3.3.2 Matriks Regangan Elemen Segiempat ... 59
3.3.3 Elemen Matriks ... 59
3.4. Elemen Cangkang (Shell Element) ... 61
3.4.1 Elemen pada Sistem Koordinat Lokal ... 61
3.4.2 Elemen pada Sistem Koordinat Global ... 65
BAB IV ANALISIS STUDI PARAMETER BALOK CASTELLA……... 66
4.1. Analisis Studi Parameter yang Mempengaruhi Lendutan Maksimum pada Balok Castella ... 66
4.1.1. Model Analisis ... 66
4.1.3. Pengaruh Rasio Bentang Balok dengan Tinggi Balok Castella terhadap
Lendutan ... 72
4.1.4. Pengaruh Besar Bukaan pada Balok Castella terhadap Lendutan .. 74
4.1.5. Pengaruh kekakuan Rotasi pada Ujung Balok terhadap Lendutan 76 4.2. Nilai Parameter L/Dc, Ds/Dc, dan kr yang Umum pada Sistem Struktur 80
4.3 Pemodelan Pengaruh Bukaan Balok Castella terhadap Lendutan pada Analisa Struktur dengan Menggunakan Elemen Garis ... 82
BAB V APLIKASI HASIL STUDI PARAMETER PADA STRUKTUR PORTAL GABLE ... 87
5.1. Model Analisis ... 87
5.2. Beban Layan ... 89
5.2.1. Beban Mati ... 89
5.2.2. Beban Hidup ... 90
5.3. Beban Ultimit ... 90
BAB VIKESIMPULAN DAN SARAN ... 103
6.1. Kesimpulan ... 103
6.2. Saran 104
BAB I
PENDAHULUAN
I.1 Umum
Perkembangan teknologi pada zaman kini secara berkala telah mempengaruhi
perkembangan dunia konstruksi pula yang ditandai dengan semakin dikenalnya berbagai
jenis material yang digunakan pada bangunan seperti kayu, beton, dan baja.
Masing-masing material bangunan yang digunakan memiliki keunggulan dan kekurangan
tersendiri yang tidak dimiliki oleh material lain. Sebagai contohnya, material kayu yang
ringan namun kekuatan yang yang dapat dipikul sangat terbatas. Contoh lain yaitu beton
yang memiliki keunggulan dalam memikul beban tekan, namun sangat buruk saat beban
tarik bekerja. Sedangkan material baja yang memiliki kekuatan yang tinggi namun
terdapat masalah stabilitas karena penampang baja yang pada umumnya cukup langsing.
(a) Bukaan berbentuk lingkaran
(b) Bukaan berbentuk hexagonal
(c) Bukaan berbentuk oktagonal
Untuk memaksimalkan keunggulan-keunggulan yang dimiliki oleh masing-masing
material, berbagai penelitian mulai dilakukan dan berbagai jenis metode desain yang
lebih baik telah ditemukan hingga saat ini. Pada perkembangan teknologi dalam desain
baja, salah satu metode desain yang cukup populer saat ini yaitu balok dengan bukaan
pada pelat badannya. Bentuk bukaan pada pelat badan ini dapat beragam seperti
ditunjukkan pada Gambar 1.1yang dapat berupa lingkaran (cellular beam), hexagonal
(castellated beam), ataupun oktagonal. Balok dengan bukaan pada pelat badan ini
didapatkan dengan memotong balok I solid secara zig-zag seperti ditunjukkan pada
Gambar 1.2(a)kemudian bagian yang terpisah oleh potongan tersebut disambung
sedemikian rupa seperti ditunjukkan pada Gambar 1.2(b) dengan pengelasan untuk
mendapatkan tinggi balok yang lebih besar. Balok dengan bukaan pada badan ini dapat
digunakan untuk berbagai jenis kebutuhan. Yang akan menjadi pembahasan pada tugas
akhir ini adalah balok baja dengan bukaan berbentuk hexagonal yang sering dikenal
dengan nama balok castella (castellated beam).
(a) Pola pemotongan
(b) Balok castella yang terbentuk
d H
HS
s
e
Las
Beberapa keunggulan dapat diperoleh dengan adanya bukaan pada pelat badan
balok castella antara lain yaitu peningkatan tinggi penampang balok yang mengakibatkan
terjadinya peningkatan pada momen inersia, modulus penampang, kekakuan, serta
kekuatan lentur. Di samping itu, peningkatan properti penampang ini tidak diikuti oleh
peningkatan pada berat penampang sehingga lebih ekonomis karena dapat lebih
mengoptimalkan profil induk yang ada. Bukaan pada badan ini juga memberikan
keuntungan lain di bagian pelayanan seperti menyediakan lubang untuk keperluan
pemipaan.
Penggunaan balok castella mulai tersebar luas di dunia konstruksi baja seperti
diaplikasikan pada bangunan bertingkat banyak, bangunan industri dan komersial,
gudang dan rangka portal. Oleh karena itu, banyak penetilitan baik yang dilakukan
melalui eksperimen maupun secara teoritis mulai dilakukan sejak beberapa dekade yang
lalu. Sebagai hasil dari beberapa penelitian yang telah ada, beberapa bentuk kerusakan
baru mulai ditemukan, antara lain mekanisme kerusakan Vierendeel, tekuk pada pelat
badan yang disambung (web post), kerusakan las pada pelat badan yang disambung.
Selain bentuk kerusakan baru seperti yang telah disebutkan, bentuk kerusakan umum
seperti mekanisme lentur dan tekuk torsi lateral tetap dapat terjadi pada balok dengan
bukaan pada badan. Penelitian yang dilakukan oleh Netherchot, dkk (1982) menunjukkan
bahwa perilaku mekanisme lentur dan tekuk torsi lateral pada balok dengan bukaan pada
pelat badan adalah serupa dengan pada balok berbadan solid. Keberadaan pelat beton
bertulang di atas balok baja baik castella maupun balok berbadan solid yang ditumpu
sederhana pada kedua ujungnya dapat menghindarkan balok baja dari jenis kerusakan
oleh keberadaan pelat yang kaku. Namun jika balok memiliki pelat badan yang cukup
langsing, tekuk distorsi lateral mungkin dapat terjadi. Oleh karena itu, perilaku dari jenis
struktur baja dengan bukaan pada pelat badan menjadi salah satu topik pembahasan yang
masih memiliki potensi untuk ditelusuri melalui berbagai macam penelitian.
I.2 Latar Belakang Permasalahan
Balok castella merupakan jenis desain komponen struktur baja yang sering
dijumpai dewasa ini. Namun standar perencanaan untuk jenis balok dengan bukaan pada
web seperti balok castella masih sangat jarang dijumpai. Metode analisis yang diperlukan
juga masih merupakan suatu topik yang masih belum jelas karena keberadaan bukaan
pada pelat badan yang mengakibatkan distribusi tegangan yang agak berbeda dengan
balok berbadan solid pada umumnya. Di bidang analisa struktur pada struktur yang terdiri
dari kolom dan balok biasa, pemodelan struktur umumnya dilakukan dengan
memodelkan balok dan kolom sebagai model garis. Namun, untuk balok dengan bukaan
pada badan, keandalan dari model garis yang biasanya digunakan untuk balok tanpa
bukaan mulai menjadi suatu pertanyaan karena bukaan pada pelat badan tidak dapat
dimodelkan dalam bentuk elemen garis. Namun untuk penyederhanaan, model struktur
yang terdiri dari elemen garis tetap masih paling diminati.
Perbedaan yang paling utama antara balok biasa dengan balok dengan bukaan pada
pelat badan yaitu terletak pada adanya bukaan pada bagian pelat. Namun, bagian pada
bukaan ini merupakan daerah yang mengalami tekanan akibat lentur yang lebih kecil.
Dalam perihal perilaku lentur, kedua jenis balok ini memiliki sifat yang cukup mirip.
Sedangkan untuk perilaku geser, umumnya pada analisa struktur, pengaruh dari
model garis seperti yang digunakan pada balok tanpa bukaan juga dapat digunakan pada
balok dengan bukaan pada pelat badan namun beberapa modifikasi mungkin perlu
dilakukan mengingat akan terjadi pengurangan kekakuan lentur karena adanya lubang
pada pelat badan. Sebagai salah satu cara adalah dengan menggunakan suatu kekakuan
ekivalen yang dapat mencerminkan sifat kekakuan lentur pada balok dengan bukaan pada
pelat badan. Pengaruh dari bukaan pada pelat badan ini terhadap kekakuan lentur dari
balok castella akan menjadi permasalahan yang akan diteliti di dalam tugas akhir ini.
Pelat Lantai
5875 5875 5875 5875
23500
4530
5620
4480
Pelat Lantai Rafter dengan beban tambahan dari lantai bawah
Gambar 1.3Struktur portal baja dengan rafter castella
Hasil dari studi parameter yang dilakukan pada tugas akhir ini akan digunakan
portal yang telah dibangun menggunakan balok castella sebagai rafter dan balok untuk
memikul beban dari lantai. Ilustrasi dari struktur portal baja yang akan dianalisis
ditunjukkan pada Gambar 1.3. Untuk mendapatkan ruang pakai yang lebih luas, pada
bagian tengah balok lantai tidak terdapat tumpuan sampai ke lantai dasar, sehingga
beban-beban dari lantai dua dan tiga akan menjadi beban tambahan bagi rafter yang
disalurkan melalui kolom tengah yang menghubungakan antara balok lantai dengan
rafter. Analisa struktur dilakukan untuk mengetahui besarnya lendutan yang terjadi pada
rafter castella akibat beban layan yang terjadi serta kekuatan rafter untuk dapat memikul
semua beban yang dipikul pada keadaan ultimit.
I.3 Maksud dan Tujuan
Adapun beberapa maksud dan tujuan dari penulisan tugas akhir ini adalah :
1. Studi parameter untuk mengetahui pengaruh bukaan pada pelat badan balok baja
terhadap kekakuan lentur balok baja.
2. Dengan memanfaatkan hasil dari studi parameter yang telah dilakukan, analisa
struktur terhadap portal baja yang telah dibangun akan dianalisis untuk mengetahui
besarnya lendutan maksimal yang akan terjadi pada rafter castella yang memikul
beban tambahan dari balok lantai bawah.
3. Memeriksa kekuatan dari balok castella dalam memikul beban-beban yang
I.4 Perumusan Masalah
Untuk melakukan observasi terhadap pengaruh bukaan pada lubang pelat badan
terhadap kekakuan lentur dari balok castella, balok castella seperti ditunjukkan pada
Gambar 1.4 akan dianalisis dengan menggunakan bantuan perangkat lunak bernama
ABAQUS. Elemen shell akan digunakan untuk memodelkan pelat badan dan sayap pada
balok castella. Balok akan memikul beban terbagi merata. Karena pada umumnya taraf
kekakuan lentur pada ujung balok yang dihubungkan ke kolom berada di antara nol dan
tak terhingga, pengaruh kekakuan lentur pada ujung balok ini terhadap peningkatan
lendutan pada balok dengan bukaan pada pelat badan akan diamati. Balok castella dengan
ukuran 700×200×10×16 seperti ditunjukkan pada Gambar 1.4(b) akan dianalisis. Sebagai
pembanding, balok solid tanpa bukaan pada badan dengan ukuran yang sama, Gambar
1.4(a),juga akan dianalisis. Perbedaan lendutan maksimum yang diperoleh akan
digunakan untuk menentukan pengaruh beberapa parameter seperti besarnya bukaan,
panjang balok, dan kekakuan lentur pada ujung balok terhadap kekakuan lentur balok
castella yang digunakan dalam bangunan portal baja yang akan dianalisis.
Dengan menggunakan parameter yang diperoleh dari analisis dengan metode
elemen hingga (ABAQUS), sistem portal akan dianalisa dengan menggunakan program
SAP2000. Model elemen garis akan digunakan dengan menggunakan penampang solid
namun kekakuan balok akan dimodifikasi dengan menggunakan faktor pengali pada
momen inersia balok solid berdasarkan kepada hasil yang diperoleh dari hasil analisa
dengan metode elemen hingga. Lendutan yang diperoleh dari hasil analisis akan diperiksa
terhadap lendutan maksimum yang diizinkan dan gaya-gaya dalam seperti momen dan
5875 5875 5875 5875
23500
(a) Balok tanpa bukaan pada badan
700
(b) Balok dengan bukaan pada badan
A C D E B
700
Gambar 1.4 Model balok castella yang dianalisis
I.5 Pembatasan Masalah
Untuk membatasi lingkup penelitian yang akan dibahas di dalam tugas akhir ini
agar tidak terlalu luas, maka beberapa pembatasan masalah akan digunakan sebagai
berikut:
1. Analisis metode elemen hingga yang dilakukan adalah analisis linier elastis.
2. Lendutan izin maksimum mengikuti nilai standar seperti yang tertera pada RSNI
03-1729-2002.
3. Material yang digunakan adalah material baja dengan modulus elastisitas Es = 200
GPa dengan nilai rasio poisson υ = 0.3.
4. Mutu baja yang digunakan untuk pemeriksaan kekuatan komponen struktur adalah
baja dengan tegangan leleh fy = 360 MPa dan tegangan tarik fu = 500 MPa.
5. Beban-beban rencana yang digunakan untuk analisis seperti beban mati, beban
hidup, dan beban angin berdasarkan kepada nilai-nilai beban yang direkomendasikan
di dalam SKBI 1.3.53.1987.
6. Pemeriksaan kekuatan balok castella akan dilakukan berdasarkan kepada metode
7. Efek komposit tidak diperhitungkan pada saat menghitung kekuatan balok castella
pada lantai dua dan tiga.
8. Efek pengekangan lateral yang dapat diberikan karena keberadaan pelat diatas balok
castella akan diperhitungkan.
I.6 Metodologi Peneltian
Metodologi yang digunakan untuk menyelesaikan tugas akhir ini adalah studi
literatur yaitu dengan mengumpulkan data-data dan keterangan dari buku yang
berhubungan dengan pembahasan tugas akhir ini serta masukan-masukan dari dosen
pembimbing. Penganalisaan struktur balok ini dilakukan dengan program komputer yaitu
program Abaqus versi 6.13.1 dan SAP2000 untuk membantu perhitungan analisa struktur
