studi optimalisasi konfigurasi struktur kuda-kuda atap baja ringan

0

STUDI OPTIMALISASI KONFIGURASI STRUKTUR

KUDA-KUDA ATAP BAJA RINGAN

MAKALAH SEMINAR HASIL TUGAS AKHIR

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan

Program Strata-1 pada Jurusan Teknik Sipil

Fakultas Teknik Universitas Andalas

Oleh:

DWINTA WAHYUNI

1110922093

Pembimbing

SABRIL HARIS HG, Ph.D

JURUSAN TEKNIK SIPIL

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS ANDALAS

PADANG

2015

1

STUDI OPTIMALISASI KONFIGURASI STRUKTUR

KUDA-KUDA ATAP BAJA RINGAN

Oleh:

Dwinta Wahyuni1)

Sabril Haris HG, Ph.D2)

1) Mahasiswa Jurusan Teknik Sipil Universitas Andalas.

2) Staf pengajar Jurusan Teknik Sipil Universitas Andalas.

Abstrak

Tugas akhir ini bertujuan untuk mengetahui bagaimana bentuk struktur rangka

batang (truss) atap baja ringan yang mungkin diaplikasikan di lapangan untuk

bentang tertentu (bentang pendek, menengah, dan panjang). Hasil dari analisis ini

digunakan sebagai sebagai rekomendasi bentuk dan konfigurasi struktur rangka

batang atap baja ringan untuk berbagai panjang bentang. Analisis yang

digunakan menggunakan data material penampang C (kanal) yang ada di

pasaran. Analisis dilakukan dengan program (SAP 2000 V.11) dan diperoleh nilai

gaya dalam setiap batang untuk selanjutnya diambil nilai maksimum sebagai nilai

tarik maksimum dan nilai minimum sebagai nilai tekan maksimum. Hasil yang

diperoleh dibandingkan dengan kapasitas penampang sehingga didapatkan rasio

tekan dan rasio tariknya yang memenuhi untuk setiap bentang. Rasio tarik untuk

setiap bentang yang didapatkan adalah; bentang pendek berkisar antara 0,21 s/d

0,29; bentang menengah berkisar antara 0,46 s/d 0,74; bentang panjangberkisar

antara 0,75 s/d 0,94. Sedangkan untuk rasio tekan tiap bentang adalah; bentang

pendek berkisar antara 0,19 s/d 0,26 ; bentang menengah berkisar antara 0,38 s/d

0,60; bentang panjang berkisar antara0,59 s/d 0,74.Dari hasil yang diperoleh

dapat diambil kesimpulan bahwa konfigurasi rangka atap yang telah dianalisis

stabil; pada bentang panjang material penampang digandakan karena struktur

tersebut tidak stabil jika hanya menggunakan satu penampang saja.

Kata kunci: rangka atap baja ringan, konfigurasi rangka atap baja ringan , desain komponen struktur

tekan, desain untuk aksial tarik.

1. PENDAHULUAN

Atap adalah bagian dari suatu

bangunan gedung yang berfungsi sebagai

penutup seluruh ruangan yang ada di

bawahnya terhadap pengaruh panas, hujan,

angin, debu atau untuk keperluan

perlindungan. Komponen atap terdiri dari

dua bagian penting, yaitu konstruksi rangka

atap atau kuda-kuda dan penutup atap.

Untuk bangunan-bangunan dengan

bentang yang cukup panjang, kuda-kuda

baja menjadi pilihan yang sering digunakan

oleh masyarakat. Namun penggunaan

material baja jarang digunakan sebagai

rangka kuda-kuda atap untuk rumah tinggal,

kuda-kuda dari baja lebih sering digunakan

bangunan-bangunan bentang panjang

seperti pabrik, gedung pertemuan, stadion,

kampus dan lain-lain. Namun

pengembangan material baja sebagai

material baja ringan (Light Gauge Steel)

akhir-akhir ini mulai menjadi altenatif yang

banyak digunakan untuk struktur atap

rumah tinggal. Hal ini dikarenakan baja

ringan memiliki bobot yang lebih ringan

dari pada baja biasa sehingga

pemakaiannya lebih efisien pada struktur

yang gaya dalamnya tidak terlalu besar,

2

karena berat sendiri struktur baja ringan

lebih ringan.

Pada tugas akhir ini akan dilakukan

penelitian membahas tentang efektivitas

bentuk kuda-kuda atap dengan material baja

ringan. Pada penelitian penulis akan

menganalisa struktur dan mendesain

penampang untuk berbagai bentuk struktur

atap dengan panjang yang bervariasi. Untuk

bentang yang akan dianalisa adalah bentang

pendek yaitu 6 m s/d 9 m; bentang panjang

diwakili oleh bentang 10 m, 14 m, dan 18

m; bentang panjang diwakili oleh bentang

20 m, 25 m. Penelitian ini dilakukan dengan

program SAP 2000 V.11 untuk

menghindari menganalisis struktur secara

manual.

Tujuan dari penelitian ini adalah

menentukan bagaimana bentuk struktur

rangka batang (truss) atap baja ringan yang

mungkin diaplikasikan di lapangan untuk

bentang tertentu (bentang pendek,

menengah, dan panjang).

Sedangkan manfaat dari penelitian

ini adalah sebagai rekomendasi bentuk dan

konfigurasi struktur rangka batang atap baja

ringan untuk berbagai panjang bentang.

Untuk lebih memfokuskan

permasalahan berdasarkan tujuan yang

ingin dicapai, maka pada penelitian ini

perlu diberikan batasan-batasan masalah

sebagai berikut:

1. Material yang digunakan adalah baja

ringan penampang C yang ada di

pasaran.

2. Analisa struktur dilakukan untuk satu

stuktur rangka batang atap di atas dua

tumpuan sederhana sendi-rol.

3. Struktur rangka batang ditinjau untuk

bentang pendek (penerapan pada rumah

tinggal), bentang menengah (kantor,

gudang), dan bentang panjang (struktur

khusus).

4. Untuk setiap panjang bentang berbeda,

bentuk dan konfigurasi struktur rangka

batang disesuaikan dengan pola yang

sudah biasa digunakan.

5. Perhitungan sambungan tidak

dimasukkan dalam penelitian ini.

2. DESAIN KOMPONEN STRUKTUR

2.1 Desain Komponen Struktur Tekan

2.1.1 Komponen Struktur Tekan

Pembebanan Konsentris

Pada bagian ini berlaku untuk

komponen struktur dimana resultan semua

beban yang bekerja padanya berupa beban

aksial yang melalui titik berat penampang

efektif yang dihitung pada tegangan kritis

(fn). Gaya aksial tekan desain (N*) harus

memenuhi berikut ini :

a. (2.1)

b. (2.1.1)

Keterangan :

adalah faktor reduksi kapasitas untuk

komponen struktur dalam tekan (sesuai

dengan SNI 7971 tahun 2013 Tabel 1.6

halaman 29) bernilai sebesar 0,85.

adalah kapasitas penampang nominal

dari komponen struktur dalam tekan.

(2.2)

adalah luas efektif saat tegangan leleh

adalah kapasitas komponen struktur

nominal dari komponen struktur dalam

tekan

(2.3)

adalah luas efektif saat tegangan kritis

adalah tegangan kritis ditentukan dari

persamaan yang sesuai, yaitu

( )

(2.4)

3

(

)

(2.5)

Dengan :

kelangsingan nondimensi yang

digunakan untuk menentukan

(2.6)

adalah nilai dari tegangan penampang

yang menerima tekuk tekuk torsi atau tekuk

lentur torsi yang dihitung berdasarkan

persamaan 2.7.

2.1.2 Penampang Simetris Ganda atau

Tunggal yang Menerima Tekuk

Torsi atau Tekuk Lentur-Torsi

Untuk penampang yang menerima tekuk

torsi atau lentur torsi, ditentukan

berdasarkan persamaan berikut ini :

[ √

]

(2.7)

Dengan dan ditentukan berdasarkan

persamaan

⁄

(2.8)

Dengan :

adalah tegangan tekuk elastis pada

komponen struktur tekan yang dibebani

secara aksial untuk tekuk lentur terhadap

sumbu x.

(

) (2.9)

√

(2.10)

Dengan :

, , adalah panjang efektif untuk

tekuk terhadap sumbu x,y, dan puntir, G

adalah modulus elastisitas geser (80 x 103

MPa); J adalah konstanta torsi untuk

penampang; Iw adalah konstanta puntir

lengkung untuk penampang

2.1.3 Komponen Struktur Tekan

Pembebanan Konsentris

Untuk penampang simetris tunggal

yang menerima tekuk distorsi, seperti kanal

lip dengan sayap belakang tambahan, nilai

dari pada persamaan 2.3 harus lebih

kecil dari :

a. yang dihitung sesuai dengan

persamaan 2.4 dan 2.5

b.

:

(

) (2.11)

c.

:

( (√

)

) (2.12)

Tegangan tekuk distorsi elastis

dari penampang kanal lip yang mengalami

tekan harus ditentukan dari persamaan

berikut :

{ √

}

(2.13).

Penjelasan variabel untuk rumus diatas

adalah sebagai berikut;

(

)

(2.14)

(

) (2.15)

(

) (2.16)

(

) (2.17)

(

)

(2.18)

(

)

(2.19)

[

(

)

]

(2.20)

ditentukan dari persamaan 2.13

dengan

(

) (2.21)

4

Gambar 2.8 Kanal Lip Sederhana yang Mengalami

Tekan

Nilai-nilai A, x, y, J, Ix, Iy, dan Ixy

adalah untuk sayap tekan dengan lip

sederhana sebagai berikut :

( ) (2.22)

(

)

( ) (2.23)

( ) (2.24)

( )

(2.25)

(

)

(2.26)

( )

(

)

(2.27)

(

) (

) ( )

(2.28)

2.2 Desain Komponen Struktur Aksial

Tarik

Sebuah komponen struktur yang

menerima gaya aksial tarik desain (N*)

harus memenuhi :

N* ≤ ϕt.Nt (2.29)

Keterangan:

ϕt = adalah faktor reduksi kapasitas

untuk komponen struktur tarik

Nt = adalah kapasitas penampang

nominal dari komponen struktur dalam

tarik yang ditentukan sesuai dengan

penjelasan dibawah ini (diambil sebagai

nilai terkecil);

Nt = Ag.fy ; dan (2.29.1)

Nt = 0,85kt.An.fu (2.29.2)

Keterangan;

Ag = luas bruto penampang

fy = tegangan leleh yang digunakan

dalam desain

kt = faktor koreksi untuk distrubusi

gaya yang ditentukan

An = luas neto penampang, diperoleh

dengan mengurangi luas bruto

penampang dengan luas penampang

penetrasi dan lubang, termasuk

lubang pengencang.

fu = kekuatan tarik yang digunakan

dalam desain

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1 Deskripsi Hasil Penelitian

Pada perhitungan analisa rangka atap

baja ringan dalam perencanaan

konstruksinya dibuat berpedoman kepada

Peraturan Pembebanan Indonesia Untuk

Gedung (PPIUG) tahun 1983 dan SNI-7971

tahun 2013 tentang Struktur Baja Canai

Dingin.

Data spesifikasi material baja ringan

yang digunakan adalah sebagai berikut :

Tabel 4.1 Data spesifikasi material baja ringan

yang digunakan

Jenis Kanal C Clip

Mutu G550

Tegangan tarik leleh (fy),

Mpa 550

Tegangan tarik putus

(fu), Mpa 550

Modulus Elastisitas (E),

Mpa 200000

Modulus Geser (G), Mpa 72692.16

Tinggi (D), mm 75

Tebal (t), mm 0.75

Lebar (B), mm 35

Tinggi lip (c), mm 8

Ix 106689,030

Iy 19255.610

rx 30.230

ry 12.840

5

Gambar 4.1 Penampang melintang profil Kanal C

Clip

Pada perhitungan menggunakan

mathCad didapatkan data-data perencanaan

gording seperti pada tabel berikut;

a. Untuk bentang pendek

Tabel 4.2 Data perencanaan gording untuk bentang

pendek

b. Untuk bentang menengah

Tabel 4.3 Data perencanaan gording

untuk bentang menengah

Jenis

gordin

g

Ber

at

gor

ding

(kg/

m2)

Bent

ang

(m)

Jara

k

anta

r

gor

ding

(m)

Panj

ang

rafte

r

(m)

Jum

lah

gor

ding

Sudut

kemiri

ngan

atap

(derjat

)

Chann

el

200x75

x20x3,

2

9,27

10 1,1 5,77

4

6 30

14 1,2 7,72

4

7 25

18 1,15 9,57

8

9 25

c. Untuk bentang panjang

Tabel 4.4 Data perencanaan gording

untuk bentang pendek

Jenis

gordi

ng

Be

rat

go

rdi

ng

(k

g/

m2

)

Be

nta

ng

(m

)

Jar

ak

ant

ar

go

rdi

ng

(m

)

Pa

nja

ng

raf

ter

(m

)

Ju

ml

ah

go

rdi

ng

Sud

ut

kem

irin

gan

atap

(der

jat)

Chan

nel

200x

75x2

0x3,2

9,

27

20 1,

2

11,

03

4

10 25

25

30

40

4.1.1 Pemodelan

Struktur rangka atap dimodelkan dalam

bentuk model numerik berdasarkan

referensi yang telah ada. Dalam permodelan

tersebut diasumsikanbahwa sambungan

adalah monolit (kaku), dimana alat

sambung dan model penyambungnya tidak

dimodelkan. Model numeriknya dapat

dilihat pada gambar-gambar berikut.

a. Bentang Pendek

Gambar 4.2 Rangka atap baja ringan

bentang 6 m


bentang 7 m

Jenis

gording

Berat

gording

(kg/m2)

Bentang

(m)

Jarak antar

gording

(m)

Panjang

rafter (m)

Jumlah

gording

Sudut

kemiringan

atap

(derjat)

6 1 3,464 4 30

7 1,2 4,041 4 30

8 1,1 4,619 5 30

9 1,2 5,196 5 30

Channel

200x75x20x

3,2

9,27

6


bentang 8 m


bentang 9 m

b. Bentang Menengah


bentang 10 m


bentang 14 m


bentang 18 m

c. Bentang Panjang


bentang 20 m


bentang 25 m

4.1.2 Pola Pembebanan

Beban yang diinputkan pada rangka

atap dalam penelitian ini adalah sebagai

berikut:

a. Beban Mati ; mencakup berat

sendiri, bebrat atap dan berat

gording.

b. Beban Hidup ; mencakup beban

manusia pada saat

pelaksanaan/pemeliharaan

sebesar 100 kg (sesuai dengan

PPIUG 1983 pasal 3.2)

c. Beban Angin

Beban pada rangka batang (truss)

dikerjakan tepat pada titik-titik simpul/

kumpul. Oleh karenanya dalam pemodelan

ini beban dikerjakan pada setiap titik

simpul/ kumpul. Beban yang diterima oleh

gording kemudian didistribusikan ke

masing-masing titik.

7

Gambar 4.13 Pola Pembebanan Beban

Mati dan Beban Hidup

Gambar 4.14 Pola Pembebanan Beban

Angin

Perhitungan analisa struktur dilakukan

dengan menggunakan mathCad. Setelah

didapatkan resume beban mati, beban

hidup, dan beban angin, beban-beban

tersebut diinputkan dan dianalisa

menggunakan SAP 2000 V.11.0. Hasil yang

didapatkan dari analisa struktur ini adalah

berupa nilai tarik-tekan yang dialami setiap

batang. Untuk selanjutnya akan diamati

berapa nilai maksimum dari gaya aksial

tarik-tekan yang terjadi pada setiap bentang.

Pada tabel berikut akan ditampilkan

resume beban mati, beban hidup, dan beban

angin pada masing-masing bentang;

Tabel 4.5 Resume Beban tiap Bentang

Benta

ng

Panj

ang

Bent

ang,

m

Beban

Mati, kg Be

ban

Hid

up,

kg

Beban

Angin,

kg

Ten

gah

Raft

er

Tep

i

Raf

ter

Te

kan

Hi

sap

Pende

k

6 17,1

24

14,

124 100 6 12

7 19,7

64

15,

444 100 7,2

14,

4

8 19,7

64

15,

444 100 7,2

14,

4

9 19,7

64

15,

444 100 7,2

14,

4

Mene

ngah

10 18,3

84

14,

754 100 6,6

13,

2

14 19,7

64

15,

444 100 7,2

14,

4

18 19,0

59

15,

091 100 6,9

13,

8

Panja

ng

20 15,3

20

12,

295 100

2,7

5 11

25 16,4

70

12,

870 100 1,2

12,

2

30 100

40 100

3.2 Hasil Penelitian

3.2.1 Analisis Gaya Batang

Analisis desain baja ringan pada

elemen rangka atap dibagi dalam dua

kategori, yaitu analisis batang tekan dan

analisis batang tarik. Analisis ini

didasarkan pada nilai gaya batang yang

terjadi akibat beban luar.

Setelah dilakukan analisis dengan

menggunakan SAP 2000 V.11.0, maka

diperoleh diperoleh hasil nilai gaya batang

sebagai berikut :

8

Tabel 4.5 Nilai tarik tekan maksimum tiap

bentang

Bentan

g

Panja

ng

Benta

ng, m

Tekan

Maksimum

(N*), N

Tarik

Maksimum

(N*), N

Pendek

6 10122 9111,71

7 9640,26 8624,42

8 13805,46 12535,75

9 14001,13 12731,86

Menen

gah

10 21328,14 20025,12

14 26721,31 25180,16

18 33612,61 32055,48

Panjan

g

20 63136,21 61292,31

25 78381,77 77206,01

30

40

Nilai tekan maksimum dan tarik

maksimum pada tabel diatas didapatkan

dari nilai tekan dan tarik terbesar pada

setiap bentang. Nilai gaya batang tersebut,

baik tekan maupun tarik ini akan digunakan

sebagai sampel analisis desain.

3.2.2 Desain Batang Tekan dan Tarik

Pada batang tekan, desain

dihadapkan pada antisipasi tekuk yang

dapat terjadi pada tiap sumbu elemennya.

Karena tekuk tersebut berpengaruh pada

nilai struktural batang yang bersangkutan.

Sehingga penampang yang dipilih adalah

penampang dengan nilai kapasitas yang

dapat menahan tekuk yang akan terjadi.

Sedangkan pada batang tarik, desain

dihadapkan pada pemilihan penampang

yang luasannya mampu menahan gaya tarik

yang terjadi, sehingga nilai kapasitas

penampang murni ditentukan oleh luasan

penampang. Hal yang juga harus

diperhatikan pada desain batang tarik

adalah perlemahan yang terjadi pada

sambungan. Hal ini terjadi akibat adanya

lubang akibat sambungan baut. Namun

perhitungan sambungan tidak dibahas

dalam Tugas Akhir ini.

Pada perhitungan batang tarik tekan

berpedoman kepada SNI 7971 tahun 2013

tentang Struktur baja canai dingin seperti

yang telah dibahas sebelumpnya pada BAB

II. Untuk perhitungan batang tari tekan

tersebut menggunakan Microsoft Excel

2010.

Pada tabel berikut ditampilkan

hasil dari nilai kapasitas penampang tarik

tekan pada setiap bentang. Untuk

mendapatkan rasio tarik dan rasio tekan

dapat menggunakan rumus gaya dalam

dibandingkan dengan kapasitas penampang.

Tabel 4.6 Rasio Tarik Tekan

Bentan

g

Panja

ng

Bent

ang,

m

ϕc.Nt,

N

ϕc.Nc,

N

Rasio

Tarik

Rasio

Tekan

Pendek 6 41747

,03

52810,

52

0,22 0,19

7 41747

,03

52114,

4

0,21 0,18

8 41747

,03

53175,

27

0,30 0,26

9 41747

,03

52810,

52

0,30 0,27

Menen

gah

10 41747

,03

53849,

77

0,48 0,40

14 41747

,03

53849,

77

0,60 0,50

18 417,4

7,03

53849,

77

0,77 0,62

Panjan

g

20 82077

,81

106128

,60

0,75 0,59

25 82077

,81

106146

,84

0,94 0,74

30

40

9

Nilai rasio tarik dan tekan yang

didapatkan kecil dari limit rasio yang telah

ditentukan pada Tugas Akhir ini yaitu 1,00.

Penempatan elemen pada sistem

struktur pada perencanaan awal, di setiap

bagian pada rangka atap baja ringan seperti

elemen atas (top chord), elemen bawah

(bottomchord) dan web digunakan profil

Kanal C Clip 75. Apabila setelah dilakukan

analisis ternyata profil tidak sanggup

menahan beban, maka dilakukan

perencanaan ulang dengan mengganti

konfigurasi pada rangka atap tersebut atau

dengan mengganti profil baja ringan dengan

profil Kanal C Clip 75 yang digandakan

(berbentuk box). Seperti yang terjadi pada

bentang panjang (20-40 m) bahwa bentang

tersebut tidak sanggup menahan beban

dengan hanya menggunakan satu profil

saja, maka profil yang dipakai untuk

kemudian digandakan supaya dapat

menahan beban.

studi optimalisasi konfigurasi struktur kuda-kuda atap baja ringan

Documents