CES32018 Perancangan Struktur

Syahril A. Rahim

Departemen Teknik Sipil FTUI

Februari 2009

Tujuan Pembelajaran:

Setelah mengikuti kuliah ini mahasiswa mengetahui konsep desain, beban yang bekerja pada struktur, sistem struktur dan mampu memproporsi structural members dari baja, beton bertulang dan kayu, sesuai dengan tata cara dan standard yang berlaku.

Silabus: Pengantar perancangan dan analisis sistem struktur: Tujuan, step perancangan, LRFD, faktor reduksi dan Tegangan izin; Beban dan Pembebanan: Bentuk beban, tipe beban, penempatan beban, distribusi beban, faktor beban dan kombinasi beban; Sistem struktur untuk struktur baja, beton dan kayu; Material dan properti potongan struktur baja, beton bertulang, kayu, tegangan beban kerja, servicibility; Proporsi structural member dengan LRFD terhadap gaya tarik, lentur, gaya tekan, dan kombinasi lentur dan gaya tekan (beam-column, uniaxial) atau tarik untuk elemen struktur baja, beton bertulang dan kayu, sesuai standard yang berlaku; sambungan struktur kayu dan baja.

Pengantar perencanaan dan analisis dari sistim struktur

• Perencanaan Struktur: Tujuan• Step dalam proses perencanaan • Tipe dari elemen struktur • Persamaan Design• Metode Design: Allowable stress design, LRFD

• Design code, Spesifikasi, dan Standards

Beban dan Pembebanan

• Bentuk Beban• Tipe Beban dan besarnya: Beban Mati, Beban

Hidup, Beban Angin, Beban Gempa, Beban fase konstruksi, Impact, temperatur.

• Arrangement beban untuk kondisi paling buruk • Distribusi beban: slab searah, slab dua arah• Faktor Beban dan Kombinasi Beban: LRFD and

Allowable stress design• Metode Analisis

Structural systems untuk baja, beton bertulang dan struktur

kayu• Struktur Baja

• Struktur Beton

• Struktur kayu

Material and section properties

• General Considerations• Material Properties of Steel• Section Properties of Structural steel Members• Material properties of Concrete• Material properties of Reinforcing Steel• Section properties of Reinforced Concrete

Members: elastic and ultimate limit state• Material Properties of Structural Timber

• Section properties of Structural Timber

Tension Members

• Introduction• Design and analysis steel tension members:

Type, limit state, section properties, block shear rupture

• Design and analysis reinforced concrete tension members

• Design and analysis timber tension members

Beams

• Introduction: stress distribution due to bending and shear• Design and analysis steel beams: Bending Stress

distribution in Steel Beams, flexural design: Plastic moment, Lateral torsional buckling, flange local buckling,web local buckling, support, serviceability criteria

• Design and analysis of reinforced concrete beams: flexure, shear, serviceability criteria

• Design and analysis timber beams: Span, elastic flexure analysis, form factor, shear stress, bearing stress (parallel, perpendicular, angle to the grain), glulam beams, Balok tersusun dengan pasak, deflection criteria.

Compression Members

• Introduction: compression yielding, global buckling, local buckling

• Behavior perfect and real column• Design and analysis steel compression

members• Design and analysis reinforced concrete

compression members• Design and analysis timber compression

members

Combined Loading

• Introduction: combined load effects, Interaction equations

• Design and analysis steel member for combined load effects: biaxial bending, bending and axial tension, bending and axial compression

• Design and analysis reinforced concrete member for combined load effects

• Design and analysis timber members for combined load effects.

Connections

• Introduction• Connection in steel structures• Connection in timber structures

Konsep Keamanan & Proses Perancangan

Tujuan PerancanganStruktur harus memenuhi empat kriteria utama:

Kelayakan (appropriatness):Struktur harus pas dengan lingkungannya dan menjadi bagian estitika

Ekonomis Struktur harus mampu: (a) Struktur menahan beban yang direncanakan (b) Struktur tidak boleh berdefleksi, tilt,vibrasi, atau crack yang merusak penggunaan Maintainability: Minimum dan simple maintenance

Limit States dan perancangan beton bertulangLimit States:

1. Ultimate limit states

2. Serviceability limit states

3. Special limit states

Ketika sebuah struktur atau elemen struktur menjadi tidak layak untukpenggunaannya, dikatakan mencapai limit state.

Untuk struktur beton bertulang dapat dibagi kedalam tiga grup:

1. Ultimate limit states: keruntuhan sebuah struktursebagian atau keseluruhan. Kemungkinan terjadinya harus kecil, sebab dapat menyebabkan kehilangan nyawa dan kehilangan finansial

(a) Kehilangan kesetimbangan(b) Rupture: flexure, shear failure(c) Progressive collapse(d) Terbentuknya mekanisme plastis(e) Instability(f) Fatigue

2. Serviceability limit states: Meliputi gangguan penggunaan fungsi struktur tetapi tidak runtuh, tidak menyebabkan kehilangan nyawa, kemunginan terjadinya lebih besar dapat ditoleransi

(a) Defleksi berlebihan: menyebabkan malfuction dari mesin, secara visual tidak dapat diterima, kerusakan non structural element, tidak berfungsinya drainage di atap sehingga dapat menyebabkan keruntuhan

(b) Lebar retak berlebihan: kebocoran, korosi dan gradual deterioration beton

(c) Vibrasi yang tidak diinginkan: Vibrasi pelat lantai, lateral dan torsional vibrasi dari bangunan tinggi dapat mengganggu pengguna

3. Special limit states: damage atau failure akibat kondisi abnormal atau beban abnormal, dan mencakup:

(a) Kerusakan atau keruntuhan gempa besar

(b) Efek struktur akibat kebakaran, ledakan, atau

tabrakan kenderaan

(c) Efek struktur akibat Korosi atau deterioration

(d) Long-term physical or chemical instability

Limit States Design

Proses perancangan dengan Limit States:

1. Identifikasi semua moda keruntuhan yang potensial2. Penentuan tingkat safety yang dapat diterima terhadap setiap limit states: Code atau peraturan, Load Factor,

Loading combination, Resistance factor3. Pertimbangan perancang terhadap limit state yang

significant:(a) Proporsi member terhadap Ultimate limit states(b) Pengecekan terhadap Serviceability limit states

Basic Design Relation ship

LLDPnP

LLDDnV

LLDDnM

n

PPP

VVV

MMM

SSR

loadeffectcesis

2211

tanRe

Bending moment and shear force:

Bending Moment

wD

wL

Shear Force

M

V

Dead Load

Live Load

AB C

L L

Keamanan Struktur

• Variability dalam tahanan

(a) Variability dalam kekuatan beton dan tulangan

(b) Perbedaan dimensi as-built dan gambar

(c) Effek penyederhanaan anggapan dalam penurunan tahanan

• Variability dalam beban

• Konsekwensi keruntuhan

(a) Biaya pembersihan dan pembangunan kembali dan isinya

(b) Potensil kehilangahn nyawa

(c) Biaya sosial terhadap kehilangan waktu, revenue dan loss secara

tidak langsung

(d) Type keruntuhan

Perbandingan momen runtuh balok hasil pengukuran dan perhitungan untuk fc’ > 2000 psi

0,80 1,0 1,2 1,4

x=Mtest/Mn

10

20

30

40

50

Numb

er o

f tes

t

112 Tests

x = 1.05

= 0.105

Frequency distribution of sustained component of live loads in offices

0,20

0,40

0,60

0,80

0 10 20 30 40 50 60

0,20

0,40

0,60

0,80

0 10 20 30 40 50 60

Freq

uenc

y

Freq

uenc

y

Load intensity (psf)Load intensity (psf)

(a) Area = 151 ft2 (b) Area = 2069 ft2

Probabilistic calculation of safety factors

• R, distribusi dari populasi tahanan (resistance)• S, distribusi maksimum dari efek beban• Garis 45º sehubungan dengan efek beban = • Kombinasi S dan R yang jatuh diatas garis 45º meyebabkan

keruntuhan• S1 dan R1 menyebabkan keruntuhan• S2 dan R2 menunjukkan kombinasi yang aman• Probability keruntuhan dapat dikurangi dengan

memperbesar tahanan, meggeser R kekanan atau memperkecil dispersi

Safe and unsafe combinations of loads and resistances

S = R

S > R

: Failur

e

S < R

: Safe

S1

S2

R1

R2

1

2

Resistance, R

Load

effec

ts, S

Safety margin, probability of failure, safety index

yy

0

Freq

uenc

y

Y = R - S

P[(R - S) < 0 ] = shaded area = Pf Safety margin

• Y=R-S, Safety margin

• Keruntuhan terjadi jika bernilai negative, ditunjukkan shaded area pada gambar

• Probabilityof failure, Pf = probability [Y <0]

• Mean value dari Y, Ÿ dan standard deviation σy

• Ÿ=0+βσy, dimana β=Ÿ/σy =safety index

Allowable Stress Design

• Kekuatan struktur dijamin dengan penggunaan Faktor keamanan (FS)

• FS > 1,0

• Design Equation:

• Dinyatakan dengan stress

FS

RQ n

i

Prosedur perancangan ultimate limit states sesuai SNI BetonSKSNI pasal 11.1.1 dan 11.1.2 mengatur tentang limit states design:• 11.1.1 Struktur dan komponen struktur harus

direncanakan hingga semua penampang mempunyai kuat rencana minimum sama dengan kuat perlu, yang dihitung berdasarkan kombinasi beban dan gaya terfaktor yang sesuai dengan ketentuan tata cara ini.

• 11.1.2 Komponen struktur juga harus memenuhi ketentuan lain yang tercantum dalam tata cara ini untuk menjamin tercapainya perilaku struktur yang cukup baik pada beban kerja.

Beban Terfaktor, Kuat Perlu(SNI-03-2847-2002)

• U=1,4 DU=1,2D+1,6L+0,5(A atau R)

• U=1,2D+1,0L±1,6W+0,5(A atau R)U=0,9D±1,6W

• U=1,2D+1,0L±1,0EU=0,9D±1,0E

• U=1,2D+1,6L+0,5(A atau R)+1,6HU=0,9D ±1,6W +1,6H

U=0,9D±1,0E+1.6H• U=1.4(D+F)

U=1,2D+1,6L+0,5(A atau R)+1.2F• U=1.2(D+T)+1,6L+0.5(A atau R)

Beban(SNI-03-2847-2002)

D = beban mati L = beban hidup A = beban atap R = beban hujan W = beban angin E = beban gempa H = tekanan tanah F = beban dan tekanan fluida T = perbedaan penurunan pondasi, creep, rangkak,

ekspansi beton, atau perubahan suhu

Factor Resistance, Kuat Rencana

• Lentur, tanpa beban aksial φ=0,80• Beban aksial:

(a) aksial tarik, aksial tarik dengan lentur 0,80(b) Aksial tekan, aksial tekan dgn lentur Tulangan spiral 0,70 Komponen lainnya 0,65(c) Daerah rawan gempa tanpa 21,4(4) 0,50

• Geser dan torsi 0,75

• Tumpuan pada beton 0,65

Prosedur perancangan ultimate limit states sesuai SNI 03-1729-2002 BajaSNI pasal 6.3 dan 6.4.1 mengatur tentang limit states design:

• 6.3 Komponen struktur beserta sambungannya harus direncanakan untuk keadaan kuat batas.

• 6.4.1 Umum: Sistim struktur dan komponen struktur harus direncanakan untuk mempunyai kemampuan-layan batas dengan mengendalikan atau membatasi lendutan dan getaran. Kemampuan layan batas ini juga berlaku untuk setiap baut. Disamping itu untuk bangunan baja diperlukan perlindungan terhadap korosi secukupnya.

Beban Terfaktor, Kuat Perlu

• U=1,4 D

• U=1,2D+1,6L+0,5(La atau H)

• U=1,2D+1,6(La atau H)+(γLL atau 0,8W)

• U=1,2D+1,3W+ γLL +0,5(La atau H)

• U=1,2D±1,1E+ γLL

• U=0,9D±(1,3W atau 1,0E)

Factor Resistance, Kuat Rencana• Lentur, tanpa beban aksial φ=0,90• Beban aksial:

(a) aksial tekan kuat penampang 0,85 kuat komponen struktur 0,85

(b) Aksial tarik kuat tarik leleh 0,90 kuat taruk fraktur 0,75

• Aksi kombinasi (a) kuat lentur atau geser 0,90 (b) kuat tarik 0,90 (c) kuat tekan 0,85

Prosedur perancangan ultimate limit states sesuai SNI Konstruksi kayuSNI pasal 6.3 dan 15 mengatur tentang limit states design:

• 6.3 Komponen struktur beserta sambungannya harus direncanakan untuk keadaan kuat batas.

• 15 Ketentuan Umum: Perencana harus melakukan peninjaun terhadap batas layan yang meliputu antara lain lendutan jangka pendek, getaran, rangkak, perubahan dimensi, dan pengaruh waktu lainya.

Beban Terfaktor, Kuat Perlu

• U=1,4 D

• U=1,2D+1,6L+0,5(La atau H)

• U=1,2D+1,6(La atau H)+(γLL atau 0,8W)

• U=1,2D+1,3W+ γLL +0,5(La atau H)

• U=1,2D±1,1E+ γLL

• U=0,9D±(1,3W atau 1,0E)

Factor Resistance, Kuat Rencana• Lentur φ=0,85

• Tekan 0,90

• Stabilitas 0,85

• Tarik 0,80

• Geser / puntir 0,75

• Sambungan 0,65

Structural Members:

Komponen: Member Connection (sambungan)

Gaya dalam dan momen dari member:

(1) Space frame(2) Grid(3) Frame 2/D(4) Balok/Girder(5) Truss 3/D atau 2/D

Gaya Dalam:

Grid

Space Frame

Gaya Dalam:

x

Frame 2/D

Balok/Girder

TrussI

J

x

Dalam konstruksi baja batang-batang diatas dapat dibuat dari:•Standard Rolled-steel shape (profil)•Built-up members•Cold formed-shape

Type dari elemen struktur:Elemen utama;• Batang tarik• Batang tekan (kolom)• Balok• Balok-kolom (beam-column)Komponen Sekunder:• Bracing members• Sambungan (connection)• Sistim lantai dan atap• Dinding (walls)Pre-Engineered Elements:• Open web steel joist• Sistim lantai pracetak

Sambungan (Connections):

Sambungan diperlukan untuk:(a) Menyambung individual member dari frame bersama-sama

menjadi satu system struktur(b) Menyambung pelat dan profil menjadi profil built-up untuk

menjamin aksi komposit(c) Menyambung batang-batang (member) menjadi elemen-elemen

yang lebih panjang (balok, kolom)

Start

ArchitecturalLay out

Investigasi

Preliminari

Structural System

Alternative

Preliminart

Structural Systems

ry

Selected StructuralSystem

Preliminary size

StructuralModelling

Loading Case 1 BC

1

SeleksiMaterial

Selection

Design Criteria

Appropriatness

Economy

Maintainability

Height, Story

Span, Loading, Soil Cond.

Code

Prosedur Analisis dan Perancangan

2

Structural AnalysisStatic

Dynamic

LoadingCombinations

Membersdesign

Design CriteriaCode

?

DesignConnections

?

Code, design criteria, simple

Tender Documents:

Drawing

Specifications

BQ, List, Cost

Construction

1

Aesthetics

Construcability

Maintainability

Economically

2

Alternatives

Start

ArchitecturalLay out

Investigasi

Selected StructuralSystem

Preliminary size

StructuralModelling

Loading Case 1 BC

1

SeleksiMaterial

Selection

Design Criteria

Appropriatness

Economy

Maintainability

Height, Story

Span, Loading, Soil Cond.

Code

Prosedur Analisis dan Perancangan, Seismic Resistance

2

PreliminaryStructural Systems

Structural AnalysisStatic

Dynamic

LoadingCombinations

Membersdesign

Design CriteriaCode

?

CapasityDesign

?

Strong-Column-weak-Beam

Ductile

Tender Documents:

Drawing

Specifications

BQ, List, Cost

Construction

1

Aesthetics

Construcability

Maintainability

2

Standard dan Code:Standard dan code of practice mempunyai dua peranan yang penting:(a) Mengamankan masyarakat terhadap dua hal: Safety (keamanan) Ekonomis: code dan profesionalisme(b) Menyatukan, jika mungkin menyederhanakan

engineeringdesignPengamanan dilakukan dengan:

(a) Menentukan beban minimum, metode menilai beban, kombinasi(b) Menentukan tegangan maksimum, load factor dan faktor

reduksi kekuatan(c) Menentukan metode design member dan sambungan(d) Menentukan kualitas material, tenaga kerja yang diperlukan,

pelaksanaan, toleransi dalam fabrikasi dan asumsi yang digunakan

Beberapa standard/code/peraturan:• Pedoman Perencanaan Pembebanan untuk Rumah dan Gedung SKBI-1.3.53.1987, Departemen Pekerjaan Umum• Tata Cara Perencanaan Ketahan Gempa untuk Banguna Gedung SNI 03-1726-2002, BSN• Peraturan Perencanaan Bangunan Baja Indonesia (PPBBI) 1983, Departemen Pekerjaan Umum• Peraturan Umum Bahan Bangunan Indonesia, PUBI-1982• Tata Cara Perencanaan Struktur Baja untuk Bangunan Gedung SNI 03-1729-2002, BSN• Tata Cara Perhitungan Struktur Beton untut Bangunan Gedung SNI 03-2874-2002• Tata Cara Perencanaan Konstruksi kayu Indonesia, BSN, 2002

Metode Analisa Struktur:

• Analisa elastis atau• Analisa plastis• Struktur beraturan dapat dianalisis sebagai rangkaian suatu rangka dua dimensi, dan analisa struktur dilakukan masing- masing untuk dua arah saling tegak lurus.

Konsistensi analysis dan design

• Support condition and member fixity

• Member stiffness

Analysis dan design harus konsisten

sambungan

Distribusi gaya dalam

Design pondasi

Daftar Referensi:

1. James MacGregor: ‘Reinforced Concrete, Mechanics and Design’, Third Edition, Prentice-Hall International, 19972. Syahril A. Rahim: ‘Perancangan Struktur Gedung’, 2003, Jurusan Sipil

FTUI3. __________, Tata Cara Perencanaan Struktur Beton Bertulang untuk

Bangunan Gedung, SK-SNI-03- 2847-2002, BSN4. __________, Tata Cara Perencanan Struktur Baja untuk Bangunan

Gedung, Standar, SNI-03-1729-2002, Badan Standarisasi Indonesia, 2002

5. __________, Tata Cara Perencanan Konstruksi Kayu Indonesia, Standar, PKKI NI-5, Badan Standarisasi Indonesia