Kapan merelease reaksi momen pada ujung batang pada SAP2000?

 

Pada saat mendesain suatu struktur baja pasti kita dihadapkan pada pilihan apakah akan me-release reaksi momen pada ujung batang suatu struktur atau tidak. Kesannya sepele, namun hal ini sebenarnya bisa dikatakan sesuatu hal yang penting untuk diperhatikan dan dipahami karena menyangkut kesesuaian antara perilaku suatu struktur yang akan kita bangun dengan asumsi permodelan yang kita gunakan.

Frame Releases adalah suatu fitur pada SAP2000 dimana kita bisa menentukan suatu sambungan batang struktur (frame) akan berperilaku sebagai sendi / pinned (tidak menghasilkan reaksi momen pada ujung batang) atau akan berperilaku sebagai jepit / continuous (menghasilkan reaksi momen pada ujung batang), atau bisa juga dimodelkan setengah rigid (kaku). Gunanya apa? Tentu saja hal ini akan berpengaruh terhadap desain tipe sambungan yang akan kita gunakan pada ujung batang struktur yang kita tinjau. Salah kita dalam menentukan sambungan, maka akan berbeda juga perilaku dan distribusi gaya struktur secara keseluruhan.

Bagaimana jika terjadi ketidaksinkronan antara asumsi permodelan dengan kondisi aktual? Walaupun belum tentu mengakibatkan kegagalan batang struktur, namun tentunya akan mengakibatkan perubahan perilaku struktur dan distribusi gayanya. Selama perbedaan gaya-dalam yang terjadi masih dapat diterima oleh kekuatan batang, maka struktur masih dalam kondisi aman. Namun, perlu di-cek lebih lanjut apakah simpangan dan defleksi yang terjadi masih dalam batas ijin atau tidak.

Di bawah akan saya coba berikan contoh kasus agar bisa lebih jelas dalam memahaminya. Saya akan gunakan bantuan permodelan dua struktur portal baja tak bergoyang sederhana dengan kondisi yang berbeda, lalu akan kita lihat perbedaan-perbedaan dari hasil analisis strukturnya (defleksi dan distribusi gaya dalamnya).

Bagaimana dengan struktur beton?

Berbeda dengan struktur baja, struktur beton adalah struktur yang ketika terbentuk sudah menjadi monolit, alias antar komponen struktur beton (balok, kolom, slab, dan pondasi) sudah terhubung secara kaku antar satu komponen dengan komponen yang lainnya akibat proses pengecoran yang saling berkesinambungan yang dihubungkan oleh tulangan baja. Sehingga pada struktur beton hampir tidak pernah kita ”memainkan” fitur Frame Releases untuk batang-batang strukturnya. Semua bagian struktur beton secara default dimodelkan sebagai sambungan yang kaku / rigid oleh SAP2000. Begitu juga dengan struktur baja, secara default-pun beberapa tipe struktur baja dimodelkan dengan sambungan yang kaku antar komponennya, kecuali komponen bracing.

Ada akibat lainnya mas?

Jika kita asal bermain-main dengan fitur Frame Releases namun tidak memahami filosofi dan implikasinya, maka kita akan sering mendapatkan peringatan (warning) dari SAP2000 bahwa struktur yang kita modelkan dalam “ill condition” alias dalam kondisi “sakit” atau tidak stabil. Jika kondisi ini terjadi pada permodelan struktur yang terlalu banyak menggunakan batang (terlihat ribet) maka tentu akan sulit untuk mencari mana frame atau komponen yang menyebabkan kondisi tidak stabil tersebut.

Lalu bagaimana cara yang mudah untuk menemukan bagian yang bermasalah tersebut, mas?

Tenang, sebenarnya mudah kok. :-) Karena kita tahu bahwa penggunaan fitur Frame Releases ini berimplikasi terhadap perilaku struktur, maka dari sisi inilah kita dapat melihat bagian struktur mana yang bermasalah. Bagian struktur yang bermasalah pasti akan menyebabkan perilaku yang “nyleneh” atau “aneh”. Hal ini biasanya ditunjukkan dengan deformasi batang yang ekstrim dibandingkan dengan deformasi pada bagian batang lainnya. Maka, untuk itu kita perlu aktifkan option “show deformed shape” pada SAP2000 dengan mengklik tombol F6. Supaya pergerakan deformasinya dapat terlihat dengan lebih jelas, jangan lupa perbesar skala deformasinya (namun SAP2000 biasanya sudah men-set otomatis skala deformasi dengan nilai yang besar) dan klik “start animation” pada ujung kanan bawah window SAP2000 untuk melihat pergerakannya .

Oke, langsung lanjut ke contoh kasus, mas. :-)

Oke, kalau begitu langsung saja kita buat dua struktur portal baja 2 dimensi sederhana seperti di bawah:

Dan berikut adalah no batang dan no joint pada struktur agar dapat memudahkan dalam identifikasi bagian batang dan joint yang akan ditinjau:

Perbedaan pada struktur bagian kiri dan kanan adalah pada struktur bagian kiri batang baloknya (profil IWF200 dengan no batang 5 dan 6) terhubung kaku dengan kolom (profil HWF200 dengan no batang 1, 2, 3, dan 4), sedangkan pada struktur bagian kanan, batang baloknya (batang no 16 dan 15) tidak terhubung secara kaku dengan batang kolom, alias reaksi momen ujung baloknya di-release. Hal ini terlihat dengan simbol penggambaran batang yang terlihat tidak saling terhubung.

Bagaimana cara merelease reaksi gaya suatu frame/batang, mas?

Mudah. Pilih batang yang ingin direlease, lalu klik Assign -> Frame -> Releases/Partial Fixity.. Maka akan timbul window seperti berikut:

Start adalah ujung batang awal dan end adalah ujung batang akhir (tergantung kita menarik garis dari arah mana terlebih dahulu). Dan “Frame Partial Fixity Springs” adalah option untuk membuat suatu sambungan berperilaku setengah rigid/setengah kaku.

Wah, ada banyak check box, mas. Mana saja yang harus di-check?

Sesuaikan dengan kebutuhan. Untuk reaksi M22 dan M33 dapat kita release pada bagian start dan end. Namun untuk Axial Load, Shear Force, dan Torsion, hanya salah satu ujung yang dapat kita release. Kenapa? Karena hal ini menyangkut kestabilan batang itu sendiri. Bayangkan jika tahanan torsi suatu batang tidak ada sama sekali, maka batang akan berputar secara bebas jika dikenakan gaya torsi yang kecil sekalipun. Warning yang diberikan oleh Sap2000 adalah seperti berikut:

Ok, setelah itu kita kenakan gaya lateral yang sama sebesar 100 kN pada ujung atas struktur:

Langsung saja kita “Run”. Dan hasil deformasinya adalah sebagai berikut:

Tidak terlihat berbeda? Ya, karena perbedaan deformasinya sangat kecil. Secara logika, struktur mana yang akan mengalami deformasi lateral lebih besar? Jelas struktur yang berada di sebelah kanan. Kenapa? Karena struktur yang ada di sebelah kanan hanya memiliki satu sistem penahan gaya lateral yaitu hanya mengandalkan sistem bracing, namun struktur di sebelah kiri menggunakan dua sistem penahan lateral, yaitu selain menggunakan sistem bracing juga menggunakan sistem rangka pemikul momen (balok ikut menyumbangkan kekakuan). Perbedaan deformasi lateral ditunjukkan dengan bukti deformasi joint 6 (struktur kiri) dan 14 (struktur kanan) berikut:

Oke, dari deformasi sudah berbeda, mari kita lihat reaksi gaya-dalamnya. Berikut adalah tampilan diagram gaya momen dan gaya gesernya (M3 dan V2):

Wow.. Terlihat sangat berbeda sekali.. Itulah kenapa kita harus berhati-hati dalam menentukan sambungan. Ketidaksinkronan model sambungan implikasinya adalah perbedaan gaya dalam yang dapat menjadi signifikan. Untuk sisi ekonomi pun juga dapat kita simpulkan mana struktur yang dapat menjadi lebih ekonomis.

Mari kita cek lebih lanjut untuk nilai stress ratio-nya. Berikut adalah hasilnya:

Kedua struktur masih dalam kondisi aman. Ya, walaupun masih dalam kondisi aman, namun terlihat perbedaan stress ratio. Pada kasus tertentu, perbedaan jenis sambungan ini dapat mengakibatkan beberapa batang menjadi tidak aman / fail. Bahkan, kolom bisa menjadi fail hanya karena masalah penentuan tipe sambungan pada balok.

Pernah mendapatkan kasus struktur kolom pada tumpuan (daerah bawah) berwarna hijau (aman) namun pada bagian atas berwarna merah (tidak aman)? Logika simpelnya (jika kita hanya memperhatikan gaya aksial saja), seharusnya semakin ke bawah, beban kolom akan semakin besar dan stress rationya juga tentu seharusnya juga semakin besar, alias jika terjadi fail pun seharusnya pada kolom yang berada di bagian bawah. Namun, ternyata yang terjadi tidak demikian. :-) Bagi yang tidak memahami filosofi ini, maka solusinya biasanya mengganti profil kolom menjadi lebih besar. Namun, yang memahami filosofi ini pastinya tidak akan semerta-merta mengambil solusi tersebut.. :-)

Semoga Berguna… CMIIW… :-)

PCA Col dengan SAP2000?

 

PCA Col? What is that?... That is who? :-)

Saya yakin sarjana teknik sipil khususnya yang mengambil penjurusan struktur bangunan pasti sudah tahu apa itu program PCA Col. PCA Col adalah program mini nan usefull yang biasanya menjadi andalan insinyur sipil untuk mengetahui kekuatan aksial dan momen suatu kolom beton secara cepat dan praktis.

Tapi ada kalanya kita tidak dapat mengakses program PCA Col pada situasi tertentu. Loh, situasi seperti apa? Ya, situasi yang saya alami sendiri, dimana sistem operasi windows 7 (64 bit) yang saya gunakan di laptop saya ternyata tidak dapat menjalankan program tersebut.. <:-( Apa karena OS-nya non-ori mungkin ya.. he2.. <:-b

Tapi itu tidak menjadi soal. Karena ternyata program SAP2000 yang biasa kita gunakan sehari-hari untuk mendesain suatu bangunan yang kompleks juga memiliki kemampuan praktis dalam menyediakan grafik interaksi P-M kolom yang sama praktisnya dengan program PCA Col. Bahkan kemampuannya bisa dibilang lebih interaktif ketimbang PCA Col. Wow.. Is that true??.. Yes, of crot.. eh, of course.. :-)

Sebentar, grafik interaksi P-M Kolom? Apaan tuh?

Grafik interaksi P-M suatu kolom adalah suatu grafik yang terbentuk dari hubungan mesra antara kuat aksial (disimbolkan dengan huruf P) suatu kolom beton bertulang pada sumbu ordinat (sumbu y) dengan kuat momennya (disimbolkan dengan huruf M) pada sumbu absis (sumbu x). Tapi hati-hati…

Hati-hati apa mas?

Hati-hati bahwa grafik interaksi P-M kolom memiliki 2 lapis garis. Lapis garis paling luar adalah garis batas kekuatan nominal dan lapis paling dalam adalah garis batas kekuatan ijin. Titik plot pertemuan antara gaya aksial ultimate dan momen ultimate yang terjadi haruslah berada di dalam area garis batas kekuatan ijin suatu kolom jika ingin dikatakan aman.

Kok ada kekuatan nominal sama kekuatan ijin? Bedanya?

Sesuai dengan prinsip metode LRFD (Load Resistance & Factor Design), kekuatan suatu bahan perlu dikalikan dengan faktor reduksi sebelum dibandingkan dengan beban terfaktor (beban yang dikalikan dengan faktor pengali). Jadi, kekuatan nominal adalah kekuatan suatu bahan (entah tarik, tekan, lentur, atau geser) sebelum dikalikan dengan faktor reduksi. Sedangkan kekuatan ijin adalah kuat nominal yang sudah dikalikan dengan faktor reduksi.

Langsung saja mas. Bijimane caranye?

Sebelum tahu caranya, konsep dasar dan filosofi desain struktur kolom harus kita pahami terlebih dahulu. Percuma kan diberi grafik bagus2 tapi kita tidak bisa membaca dan mengartikannya. <:-) Saya tidak akan menerangkan rumus perhitungannya, karena pasti itu sudah ada di buku-buku struktur beton yang ada. Saya hanya akan menerangkan konsep dasar atau filosofinya saja. Saya kira ini lebih penting.

Kalau diperhatikan dengan baik, prinsip dasar desain struktur kolom itu sebenernya sama saja dengan prinsip dasar desain balok, namun dengan penambahan beberapa rumus yang memperhitungkan stabilitas tekuk akibat kelangsingan kolom (kecuali kolom pendek atau kolom tidak langsing). Ya, perlu diingat- baik-baik, apapun jenis strukturnya, suatu elemen yang menerima gaya tekan pasti memiliki pertimbangan terhadap bahaya tekuk / buckling. Itu kenapa mendesain elemen tekan terlihat lebih rumit daripada mendesain elemen tarik.

Kolom bisa dikatakan adalah balok yang diberdirikan secara vertikal sehingga memiliki fungsi yang lebih dominan untuk menahan beban aksi secara aksial (tekan/tarik). Maka tidak heran jika prinsip perhitungannya memiliki banyak kesamaan. Sama-sama berdasarkan reaksi tegangan dan regangan yang ditimbulkan oleh momen kopel.

Lalu dimana bedanya secara perhitungan? Apakah sama?

Tentu saja tidak 100% sama. Dalam mendesain balok, pengaruh gaya aksial sering diabaikan (walaupun ada, tapi dianggap tidak ada jika memenuhi syarat tertentu, salah satunya adalah syarat dimana gaya aksial yang terjadi kurang dari 0.1 x Ag x fc’). Dalam mendesain kolom, gaya aksial tentu saja harus diperhitungkan bersamaan dengan terjadinya momen lentur.

Selain itu struktur kolom tidak mengenal istilah “under-reinforced” dan “over-reinforced” dalam menentukan keamanan seperti pada balok. Batas keseimbangan (tulangan mengalami leleh berbarengan dengan hancurnya beton) pada kolom hanya untuk menentukan perilaku keruntuhan yang terjadi apakah keruntuhan akibat tekan (biasanya terjadi pada kolom pendek atau pada kolom dengan gaya aksi momen yang kecil) atau keruntuhan akibat tarik (biasanya terjadi pada kolom langsing dengan momen yang besar). Dua-duanya diperbolehkan, namun tentu saja asalkan titik plot pertemuan antara gaya aksial ultimate dan momen ultimatenya berada pada area ijin grafik interaksi P-M kolom.

Maka, jika diperhatikan baik-baik, dapat kita lihat bahwa sumbu y pada grafik interaksi P-M kolom adalah kekuatan kolom murni (M = 0) sedangkan sumbu y adalah kekuatan balok murni (P = 0).

Ok, filosofinya sudah diberikan. Sekarang, mari kita buat diagram interaksi kolom dengan SAP2000. Gunakan data desain sebagai berikut: Kuat tekan beton fc’ = 30 Mpa, kuat leleh tulangan utama fy = 400 Mpa, dimensi kolom H x B x T = 400 mm x 400 mm x 2000 mm (kolom kantilever dengan tumpuan jepit), jumlah tulangan ± 1.32 % = 16 D13 (2124 mm2) didistribusi sama rata pada tiap sisi.

1. Permodelan Kolom 400x400 pada SAP2000

2. Setelah dimodelkan, langsung saja kita “Run” Analysis dan Desain. Tidak perlu masukkan beban apapun karena kita hanya ingin mengetahui nilai kekuatan kolom.

3. Setelah kita lakukan desain, maka diagram interaksi kolom dapat kita peroleh dengan meng-klik kanan batang kolom, lalu akan keluar window seperti di bawah:

Perhatikan peraturan desain yang kita gunakan karena akan mempengaruhi nilai reduksi kekuatan yang dipakai. Biasanya tiap peraturan akan menggunakan faktor reduksi kekuatan yang berbeda-beda. Dalam tes kali ini saya gunakan peraturan ACI 318-99 dengan faktor reduksi kekuatan aksial sebesar 0.7 dan faktor reduksi kekuatan lentur sebesar 0.9.

4. Setelah meng-klik tombol “Interaction”… Tadaaa… Maka akan keluar window diagram interaksi kolom seperti di bawah:

Inilah diagram interaksi kolom yang dikeluarkan oleh SAP2000. Simpel banget ya? <:-) He2.. Kelebihannya adalah SAP2000 secara otomatis menyajikan diagram interaksi kolom secara 3D. Dengan kata lain, SAP2000 menghitung kekuatan kolom dari semua arah (360 derajad), tidak hanya satu arah saja (arah x atau y). Kenapa? Karena kekuatan kolom akan menghasilkan nilai yang berbeda-beda bila ditinjau dari arah tertentu (akibat bentuk penampang beton dan konfigurasi tulangannya), kecuali kolom yang berbentuk lingkaran (simetris pada tiap arah).

Perhatikan juga bahwa pada kotak option di dalam window, pastikan yang terpilih adalah option “phi”. Ini menandakan nilai kekuatan kolom yang kita gunakan adalah kekuatan izin (sudah dikalikan dengan faktor reduksi kekuatan).

Tapi kok tampilan diagram interkasi kolomnya hanya seperti itu saja tanpa keterangan yang lebih detail sperti di PCA Col?..

Tenang saja. Kali ini kita butuh bantuan program excel untuk membuat diagram interaksi yang lebih indah. Berikut langkahnya:

1. Sebelumnya, kita lakukan copy data dengan meng-klik menu Edit ==> Copy All

2. Lalu paste-kan pada excel kesayangan anda. Maka akan didapat data seperti berikut:

Wedhew… Kok banyak amat datanya mase? Data apa aja tuh?

Seperti yang telah saya sebutkan sebelumnya, SAP2000 menghitung kekuatan kolom dari semua arah yang diwakilkan tiap 15^o. 360^o/15^o = 24, berarti SAP2000 memberikan 24 kurva diagram interaksi untuk satu kolom. Mana saja yang akan kita gunakan? Untuk keperluan pengecekan kekuatan kolom terhadap beban aksial dan momen satu arah saja (misalkan arah x), kita gunakan saja kurva dengan sudut 0^o, 90^o, 180^o, dan 270^o. Pasti hasilnya sama karena kita telah mengetahui sebelumnya bahwa konfigurasi tulangan pada arah x dan y adalah sama. Buktinya adalah sebagai berikut:

Perhatikan bahwa nilai kuat tekan aksial kolom bernilai negatif dan nilai kuat tarik bernilai positif. Jika langsung dibuat grafik interkasi kolom dari data ini, maka grafiknya akan terbalik (walaupun tidak salah). Agar sedap dipandang mata dan mirip dengan hasil PCA Col, maka kita perlu mengalikan nilai tersebut dengan nilai -1.

3. Selanjutnya kita akan membuat diagram interaksi kolom dengan excel dari data tersebut. Kita sudah memiliki nilai-nilai pada sumbu x dan y. Sumbu x adalah nilai M, sedangkan sumbu y adalah nilai P. Klik Insert ==> Chart ==> Line ==> 2D Line ==> All Chart Types

4. Pilih X-Y (Scatter) ==> Scatter with smooth lines and markers.

5. Maka akan muncul area grafik berbentuk persegi tanpa isi. Untuk mengisinya dengan grafik yang kita inginkan, klik kanan pada area grafik tersebut, lalu pilih “Select Data”

6. Klik “Add”

7. Masukkan judul grafik dan data untuk sumbu x dan y seperti berikut:

8. Maka jadilah diagram interaksi kolom 400x400, tulangan 16 d13 seperti di bawah:

Mudah sekali bukan? :-)

Gunakan grafik ini untuk mengecek keamanan struktur kolom yang sesuai dengan data dimensi, kuat material, serta konfigurasi tulangan yang digunakan.

Lalu bagaimana kalau kolom termasuk kolom langsing mas? Apakah masih bisa digunakan?

Tentu saja bisa. Perhitungan kelangsingan kolom adalah untuk mencari nilai pembesaran momen. Jika titik plot antara gaya aksial dan momen hasil pembesaran masih masuk dalam area ijin, maka struktur masih dalam kondisi aman.

Sekian semoga berguna dan bermanfaat. CMIIW.. :-)

DIJUAL RUMAH TINGGAL DI CILEGON

 

Alamat: Jl. Mawar No.39, Kav. Blok I, Cilegon, Banten, Indonesia

Ukuran: Luas Bangunan: 250 m², Luas Tanah: 500 m² (Sertifikat Hak Milik)

Ruangan: 2 Ruang Tidur Utama (WC dalam), 1 Ruang Tidur Tamu, 1 Ruang Tidur PRT & Gudang.

Lokasi: Terletak di daerah hunian ekspatriat. Tepat berada di puncak dataran tinggi (bukit) sehingga aman dari banjir dan ancaman bahaya tsunami.

Harga: RP 2 Milyar (Nego)

Kondisi Lingkungan: Nyaman, tenang, dan tentram.

Akses Jalan: Lancar dan lapang.

Jika berminat, dapat menghubungi melalui email: madepande84@gmail.com atau menghubungi Bapak I Ketut Siarta di no HP: 0818753211.

Foto-foto Rumah:

Foto Rumah Mode Panorama:

Peta lokasi diambil dari Google Earth:

Fasilitas Publik Dekat Lokasi Rumah:

Ngulik Output Sap2000 Part I

Pemirsa..

Pe pe.. mi mir.. sa sa.. Pemirsa… :-)

Pada tulisan ini saya akan mencoba untuk mengulik hasil output program sap2000, yaitu dengan memverifikasi nilai gaya-dalam dan kapasitas momen lentur suatu balok baja yang didapat dengan rumus manual yang kita kenal… Lho, apa gunanya?.. Ya jelas untuk memastikan dan memahami proses cara bekerjanya program sap2000, apakah sesuai dengan teori yang pernah kita dapatkan atau tidak.. Tentunya seharusnya sesuai bukan? Kalau tidak sesuai, hanya ada tiga kemungkinan, yaitu: 1. Perhitungan kita salah, 2. Rumus yang kita pakai tidak benar, atau 3. Program sap2000 kita eror karena hasil bajakan.he2.. :-)

Saya tidak akan masuk pada teori2 njlimet yang saya sendiri belum memahaminya.. Seperti apa itu teori2 yang njlimet? Contohnya adalah seperti penjelasan asal muasal suatu rumus dari penurunan matematis, entah dengan cara diferensial, integral, dll.. Pusing sudah kalau membaca tanda2 itu.. he2.. Untuk level engineer sebenarnya hal yang diperlukan minimal adalah pemahaman konsep dasar dan pengetahuan terhadap rumus praktis. Karena engineer ditugaskan untuk menyelesaikan masalah dengan cepat dan tepat, bukan untuk mengembangkan dan membuat rumus. Agar cepat dan tepat maka seorang engineer perlu membekali dirinya dengan rumus2 praktis tertentu dimana pada situasi yang darurat ia dapat dengan cepat dan mudah memutuskan sesuatu. Bagaimana supaya cepat dan tepat? Mudah saja, kita tidak perlu berpusing ria menganalisis struktur yang kompleks dengan cara yang kompleks a.k.a (as konown as) njlimet, namun cukup dengan memodelkannya secara sederhana berdasarkan asumsi2 yang dapat dipertanggungjawabkan. Begitu juga dalam memahami cara kerja program sap2000, kita hanya perlu memodelkan suatu struktur dengan sederhana lalu mengamati dan mengecek hasil outputnya dengan rumus yang pernah kita dapatkan. Dan, BINGO! Akhirnya kita tidak lagi menjalankan program sap2000 bagai orang buta lagi.. :-)

Oke, kita langsung mulai saja.. Pada hasil “design” output sap2000 seperti gambar di bawah: (ingat, sap2000 melakukan dua tahap perhitungan yaitu analysis dan design. Yang biasanya pertama kali kita lakukan dengan mengklik tombol “run”, adalah sap2000 sedang melakukan tahap analysis. Outputnya hanya gaya dalam dan defleksi saja, belum masuk ke tahap design keamanan struktur)

Dari tabel di atas kita akan mendapatkan berbagai macam nilai yang sebenarnya secara garis besar dapat kita kelompokkan menjadi dua bagian, yaitu nilai gaya dalam yang terjadi pada batang profil akibat gaya luar dan nilai kekuatan ijin batang profil. Gaya-dalam batang profil didapatkan dari tahap pertama, yaitu pada tahap proses analysis, sedangkan kekuatan ijin batang profil didapatkan dari tahap kedua, yaitu pada proses design. Stress ratio yang menetukan apakah struktur masuk dalam kondisi aman dan tidak aman kita dapatkan dari hasil pembagian kedua nilai ini.

Oya, versi Sap2000 yang saya gunakan adalah versi 11.0.8. Mari kita modelkan struktur balok sederhana WF 400.200.8.13 dengan bentang 6 m seperti gambar di bawah.

Batang baja IWF 400.200.8.13 memiliki nilai properti penampang seperti yang diberikan pada contoh tabel baja Gunung Garuda di bawah.

Tunggu sebentar, apakah disini masih ada yang bingung dengan bagian-bagian tubuh dari profil IWF (Wide Flange (Sayap Lebar) yang berbentuk huruf I) ataupun HWF (Wide Flange yang berbentuk huruf H) seperti bagian “web (badan)” dan bagian “flange (sayap)? Jika ada, tentunya sukar untuk mengikuti apa yang ingin saya sampaikan pada penjelasan selanjutnya. Oke, agar lebih memastikan pembaca memahaminya, dibawah saya berikan gambar simpel penjelasan mana yang disebut sebagai bagian web dan bagian flange pada profil baja Wide Flange:

Sudah jelas kan? Mari lanjut… :-)

Kebanyakan struktur-struktur utama bangunan baja menggunakan profil bentuk wide flange, seperti untuk struktur kolom dan struktur balok utama. Pertanyaannya, kenapa sih bentuknya harus seperti itu? Kenapa harus seperti huruf I dan H? Kenapa tidak seperti huruf A atau B saja? He2.. Pada prinsipnya tujuan utama dari bentuknya yang ramping adalah agar penggunaan profil baja menjadi lebih ekonomis. Bayangkan saja jika kita menggunakan balok pejal seperti balok beton ketika merancang suatu struktur bangunan baja, berapa harga yang harus dibayar untuk material bajanya saja? Belum lagi efek dari berat profil baja tersebut dimana material baja memiliki berat jenis sebesar 7850 kg/m3. Bandingkan dengan berat jenis beton yang hanya sekitar 2400 kg/m3. Dan harga baja jauh lebih mahal daripada harga beton. Oleh karenanya, dirancanglah suatu bentuk yang ekonomis namun tanpa mengurangi kekuatan (secara drastis) pada arah sumbu lemah dan kuatnya. Bentuk seperti huruf I dan H adalah jawabannya. Lalu mana yang termasuk profil IWF dan mana yang termasuk profil HWF? Mudah sekali, profil HWF selalu memiliki dimensi tinggi total dan lebar total penampang yang sama besarnya, B = H . Sedangkan profil IWF memiliki dimensi tinggi total dan lebar total penampang yang berbeda, B < H. Maka profil baja yang kita gunakan sebagai simulasi adalah termasuk profil IWF.

Sumbu lemah dan sumbu kuat?.. Makanan apa itu?

He2.. Pada intinya, sumbu lemah adalah salah satu (dari dua) sumbu suatu penampang yang memiliki perlawanan lentur yang lebih kecil daripada sumbu lainnya. Jika suatu balok persegi pejal memiliki tinggi 400 mm dan lebar 200 mm, maka sumbu lemahnya adalah sumbu yang sejajar arah melebar balok, dan sumbu kuat adalah sumbu yang sejajar arah tinggi balok. Kenapa bisa begitu? Jelas, karena faktor yang sangat mempengaruhi tahanan lentur suatu balok adalah nilai momen inersianya. Dimensi yang lebih tinggi secara otomatis juga akan memiliki nilai momen inersia yang lebih besar.

Lalu kapan kita menggunakan profil IWF dan kapan kita menggunakan profil HWF?

Sebenarnya kita bebas untuk menentukan memakai profil mana saja asal semuanya memenuhi syarat keamanan struktur. Namun lagi-lagi, ketika kita benar-benar terjun pada dunia kerja/bisnis, kita dituntut untuk merancang struktur yang tidak hanya aman, namun juga ekonomis. Jika kita lihat tabel profil baja PT.Gunung Garuda, nampak bahwa profil HWF dengan dimensi tinggi yang sama memiliki bobot yang jauh lebih berat daripada profil IWF (dengan tinggi yang sama). Contohnya, profil IWF 400.200.8.13 memiliki bobot sebesar 66 kg/m. Namun profil HWF 400.400.13.21 memiliki bobot sebesar 172 kg/m! Gile, hampir 3 kali lipatnya… <:-) Tapi tentu saja sebagai engineer kita perlu melihat lebih jauh ke dalam nilai properti penampangnya. Ternyata berat profil HWF berbanding lurus dengan nilai momen inersianya. Profil HWF 400.400.13.21 memiliki nilai momen inersia arah sumbu kuat sebesar 66.600 cm4. Sedangkan profil IWF 400.200.8.13 hanya memiliki nilai inersia sebesar 23.700 cm4. Ternyata hampir 3x nya juga. <:-) Lalu, kalau kita memang membutuhkan nilai inersia sebesar itu, ya kita pakai saja profil HWF tersebut, beres kan? Eits, tunggu dulu… Jangan buru-buru.. he2.. Kita pastikan terlebih dahulu, apakah tidak ada profil IWF yang memiliki nilai inersia sebesar itu walaupun dengan tinggi penampang yang lebih besar namun dengan bobot yang lebih ringan? Cek cek cek… Dan… Wah, ternyata ada oi… :-) Silahkan lihat tabel di bawah untuk buktinya:

Lihatlah, ternyata kita bisa menggunakan profil IWF 600.200.11.17 sebagai pengganti balok HWF 400.400.13.21. Selain memiliki nilai momen inersia arah sumbu kuat yang lebih besar, tapi juga memiliki bobot yang lebih ringan, beda 65 kg/m.. Asiiik… Lumayan untuk beli bakso kan.. hehe…

Lalu kapan kita pakai profil HWF kalo bobotnya berat gitu? Rugi bandar dong.. he2.. Ya gak juga. Untuk apa diciptakan profil HWF kalo gak bakal kepake di pasaran? Ya gak? :-) Apa yang membedakan antara profil IWF dan HWF adalah nilai momen inersia sumbu lemah-nya. Profil HWF memiliki nilai momen inersia sumbu lemah yang sangat besar dibandingkan dengan nilai momen inersia sumbu lemah profil IWF. Contoh, Profil HWF 400.400.13.21 memiliki nilai momen inersia sumbu lemah sebesar 22400 cm4. Banding kan dengan profil IWF. Bahkan dengan penampang profil IWF sebesar 900.300.16.28 , dengan bobot yang hampir 1.5 kali lebih berat, nilai momen inersia sumbu lemahnya hanya 12600 cm4. Oleh karenanya profil HWF lebih banyak digunakan untuk struktur kolom, karena kolom biasanya menerima beban lentur dari kedua arah, baik sumbu lemah maupun sumbu kuatnya. Namun, kolom dengan profil H lebih mutlak dibutuhkan pada struktur baja tanpa bracing, alias Struktur Rangka Baja Pemikul Momen. Kenapa? Hal ini akan kita bahas pada tulisan saya berikutnya. Sekarang kita fokus saja dulu pada struktur balok ya.. :-)

Oke, lanjut gan!.. :-)

Oya, sebenarnya Sap2000 telah menghitung secara otomatis nilai2 properti penampang di atas dari tiap dimensi profil yang kita buat lho. Nilai itu terdapat pada menu “section properties” seperti dalam gambar di bawah:

Lho, kalau kita amati kok nilai yang ada pada sap2000 lebih kecil daripada nilai yang ada pada tabel data profil Gunung Garuda ya?.. Luas area penampang pada Sap2000 = 81.92 cm2, sedangkan pada tabel Gunung Garuda = 84.1 cm2. Nilai inersia sumbu x pada sap2000 pun hanya 22964.8 cm4, sedangkan pada tabel Gunung Garuda besarnya adalah 23700 cm4.. Mana yang benar?.. Tenang saudara-saudara… Belanda masih jauh.. :-) Bentuk profil penampang pada sap2000 memang bisa dikatakan tidak sama persis dengan bentuk aktual profil baja yang ada di pasaran. Apa yang beda? Coba kita lihat bentuk profil yang digambarkan oleh PT.Gunung Garuda di bawah:

Bisa melihat perbedaannya? Yup, benar. Pada kondisi aktual, tiap profil baja ternyata memiliki “ketiak” yang menebal pada sudut pertemuan antara bagian web (badan) dengan bagian flange (sayap) dimana ketebalannya didefinisikan dengan nilai “r”. Pada Sap2000 nilai r ini tidak ada, alias diabaikan. Lho kok diabaikan? Terus gimana? Ya jelas tidak apa-apa, karena sudah tentu struktur akan semakin aman jika kekuatan bahan ditentukan lebih kecil daripada aktualnya. Bukan begitu? :-) Jadi tidak perlu khawatir dengan tidak diperhitungkannya nilai r ini pada Sap2000. Tapi, kok bisa timbul ketiak kayak gitu? Asalnya dari mana? Bau gak? He2.. Yang pasti tidak bau asam.. :-) Pada proses pembuatan baja profil hot-rolled (digilas dalam kondisi panas), ketiak itu timbul pada waktu penggilasan, sedangkan pada profil baja “built up” (profil baja yang dibentuk dari gabungan pelat-pelat yang digabungkan menjadi satu dengan pengelasan), ketiak itu adalah tebalnya las yang menyatukan antara pelat sayap dengan pelat badan, namun dengan kelengkungan ke arah luar atau cembung.

Sebelumnya mari kita cek satu2 nilai di atas, apakah rumus yang pernah kita pelajari sesuai dengan perhitungan yang digunakan oleh Sap2000? Mari kita buktikan.. Untuk mempersingkat pembuktian, beberapa saya hanya mengecek arah sumbu kuatnya (major) saja. Rumus praktisnya adalah sebagai berikut (tampilan format rumus di bawah saya ambil dari blog orang lain yang sayangnya saya lupa alamat websitenya. Tolong ingatkan saya jika ada yang mengetahui dari mana sumbernya):

Oke, mari kita mulai membuktikan..

1. Luas Area

Nilai Sap2000, A = 81.92 cm2 ==> Cocok!

2. Area Geser

Pada buku Sap2000 karangan Pak Wiryanto Dewobroto, luas efektif geser penampang profil wide flange untuk arah sumbu lemah adalah sebagai berikut:

Nilai Sap2000, Av-y = 43.333 cm2 ==> Cocok!

Perhatikan pada rumus tersebut, ternyata area geser yang diperhitungkan untuk tahanan geser arah sumbu lemah tidak sampai 100% dari luas pelat sayap, namun hanya 83 % nya saja. Sedangkan untuk luas efektif geser arah sumbu kuat adalah sebagai berikut:

Nilai Sap2000, Av-x = 32 cm2 ==> Cocok!

3. Momen Inersia

Kita hitung momen inersia untuk sumbu kuat saja, yaitu Ix:

Nilai pada Sap2000, Ix = 22964.868 cm4. Loh, kok tidak cocok?... <:-)

He2.. jelas saja tidak cocok.. Ternyata yang salah adalah rumusnya. Jika diamati, rumus inersia profil wide flange diatas jika dijabarkan adalah menjadi bentuk berikut:

Apakah rumus di atas benar? Jelas salah. Perhatikan baik2, rumus diatas adalah penjumlahan inersia dari dua dimensi dengan bentuk yang berbeda. Jika melihat dari rumusnya, yang benar seharusnya adalah dikurangkan, bukan ditambah. Sehingga perhitungannya seharusnya menjadi sebagai berikut:

Nilai pada Sap2000, Ix = 22964.868 cm4 ==> Cocok bo! :-)

4. Modulus Penampang

Modulus penampang adalah nilai yang sangat penting untuk menentukan kekuatan lentur suatu balok. Secara “kasar”, dengan mudah kita dapat menentukan kekuatan lentur suatu balok baja profil “terkekang lateral” yang penampangnya “tidak kompak” hanya dengan mengalikan nilai modulus penampangnya dengan tegangan leleh baja.

Sebentar, “balok terkekang lateral” dan “penampang tidak kompak”? Apaan tuh?

Maksud balok dikekang secara lateral adalah balok yang stabilitas arah tegak lurus bidang lenturnya dijaga agar dapat berdiri dengan stabil. Contohnya, jika kita membuat balok sederhana lewat menu template, maka Sap2000 secara otomatis akan menjepit tumpuan balok yang tegak lurus arah bidang lentur. Gunanya adalah untuk kestabilan struktur. Apa yang terjadi jika tumpuan arah tegak lurus bidangnya kita buat sendi alias tidak terkekang secara lateral? Sap2000 akan memberikan warning akan kondisi tersebut karena struktur dianggap dalam kondisi tidak stabil. Gambar di bawah menjelaskan kondisi tersebut.

Masih kurang jelas maksudnya? Oke, begini, bayangkan sebuah penggaris dengan lebar 3 cm, tebal 3 mm, dan panjang 30 cm kita letakkan seperti gambar sketsa di bawah:

Apakah penggaris tersebut dapat berdiri dengan stabil jika arah lateralnya tidak “dipegang” dengan baik? Tentu tidak, bukan? Penggaris cenderung akan jatuh ke arah samping/arah lateral. Jika dilihat melalui arah view A, maka arah jatuhnya penggaris adalah sebagai berikut:

Oleh karenanya, agar dapat berdiri dengan stabil (tidak jatuh ke samping), maka minimal tumpuan balok arah lateral tersebut perlu “dipegang”. Sketsa nya menjadi seperti berikut:

Inilah yang dimaksud balok terkekang secara lateral. Sekarang sudah cukup jelas bukan apa yang dimaksud dengan kekangan/tambatan arah lateral? :-) Namun ternyata, semakin panjang bentang balok, kekangan lateral ini juga dibutuhkan pada area tengah bentang, tidak hanya pada tumpuannya saja. Balok memiliki nilai batas jarak pertambatan lateral agar mampu dibebani hingga batas elastis maupun plastis. Loh, boleh sampai plastis? Bukannya batas amannya hanya pada kondisi elastis? Oke, lanjut saja dulu.. :-) Bagaimana jika jarak pertambatan lateralnya tidak memenuhi nilai batas yang ditentukan? Maka akan terjadilah apa yang dinamakan “Tekuk torsi lateral”.

What? Apaan tuh? *sambil tutup satu mata ala Jaja Miharja* :-)

Tekuk torsi lateral adalah suatu keadaan dimana balok melendut dan sekaligus memuntir. Hal ini disebabkan faktor buckling (tekuk) bagian flange yang mengalami tekan. Karena buckling flange arah ke bawah dan ke atas telah dijaga oleh bagian web, maka sumbu yang tidak dijaga lah yang akhirnya menjadi korban, sehingga gaya tekan yang terjadi pada bagian flange akan menimbulkan buckling yang arahnya ke samping (ke arah sumbu lemah).

Lalu apa itu penampang tidak kompak?.. Penampang yang sering berantem karena tidak akur?..

He2.. Secara analogi bisa saja dikatakan begitu. Kok? Iya, karena tidak akur maka kekuatannya tidak maksimum, ibarat pepatah: bersatu kita teguh, bercerai kita runtuh. J Kenapa bisa tidak akur?.. Seperti yang telah kita ketahui, pada penampang balok sederhana yang melentur (karena beban gravitasi) akan terbentuk area tarik pada “sayap bagian bawah dan setengah badan bagian bawah” dan area tekan pada “sayap bagian atas dan setengah badan bagian atas”. Untuk area tarik, kekuatan tarik hingga batas leleh akan mudah tercapai tanpa adanya gangguan kestabilan . Namun berbeda dengan area tekan. Pada penampang yang tidak kompak, kemampuan bagian flange maupun web pada area tekan tidak memiliki tahanan tekan yang cukup baik dibandingkan dengan penampang yang kompak karena masalah kelangsingan. Oleh karenanya, faktor bentuk penampang pada struktur balok dibedakan menjadi penampang kompak dan tidak kompak yang didasarkan atas nilai rasio antara tinggi dan lebar penampang dengan ketebalan pelat.

Oya, tadi ada kata2: “dengan mudah kita dapat menentukan kekuatan lentur suatu balok baja profil “terkekang lateral” yang penampangnya “tidak kompak” hanya dengan mengalikan nilai modulus penampangnya dengan tegangan leleh baja.Yakin? Kok bisa?

Ya bisa dong, karena pada dasarnya gaya momen kopel yang terbentuk akibat gaya luar akan menimbulkan tegangan tarik dan tekan pada penampang profil baja sesuai dengan rumus sebagai berikut:

Dimana nilai c adalah besar jarak suatu titik pada profil baja yang akan kita cari nilai tegangannya diukur dari sumbu netral penampang. Jika kita memiliki profil setinggi h, maka nilai maksimal untuk c dimana akan memiliki tegangan maksimum adalah sebesar ½ h. Padahal kita ketahui profil baja memiliki tegangan maksimum tertentu yang tidak boleh dilampaui, yaitu tegangan leleh, sehingga tegangan terbesar yang terbentuk pada titik c maksimal ini adalah sebesar fy (tegangan leleh). Dengan memasukkan nilai c sebesar ½ h, dan nilai tegangan maksimum sebesar fy, maka akan didapatkan rumus sebagai berikut:

Dapat disederhanakan menjadi:

Lihatlah, kita memiliki rumus yang langsung menghubungkan antara besar momen dengan tegangan leleh. :-) Pada bagian penyebut, rumus itulah yang dinamakan modulus penampang suatu bahan. Yang jika pada penampang persegi panjang kita mengenalnya sebagai rumus berikut:

Langsung saja kita cek, apakah nilainya sesuai dengan apa yang ditampilkan pada Sap2000 atau tidak:

Nilai pada Sap2000, Sx = 1148.2434 cm3 ==> Cucok! :-)

5. Modulus Penampang Plastis

Bersambung ke Part II… :-)