Minggu, 30 Desember 2012

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:

2012-12-28_122200

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

2012-12-28_122528

2012-12-28_123835

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:

2012-12-28_115335

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:

2012-12-30_012852

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

2012-12-28_122300

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

2012-12-30_000310

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:

2012-12-30_001146

2012-12-30_001154

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

2012-12-28_123225

2012-12-30_003438

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:

2012-12-28_122505

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… :-)

2 komentar:

angga sukma mengatakan...

pak made, sebelumnya saya ucapkan terimakasih atas ilmu yang bapak sampaikan ,sangat bermanfaat sekali.
saya Sukma , saya mau bertanya pak mengenai Program SAP 2000. Suatu Konstruksi Baja Katakanlah Seperti Portal Gabel mengalami Deformasi yang sangat besar setelah konstruksi tsb di releases .portal tsb mengalami pergoyangan yang sangat besar. akantetapi pada saat di design steel konstruksi tsb menampilkan kekuatan rasio baja yang aman artinya warnanya hijau ( bukan merah ). nah, yang jadi pertanyaan saya , bagaimanakah cara mengatasi deformasi tsb? Apakah itu diakibatkan SAP beranggapan tidak melibatkan sambungannya karna itu deformasinya sangat besar ? Apakah SAP itu sendiri Sudah Menghitung Sambungan, ataukah kita sendiri yang menghitung Kekuatan Sambungannya? padahal secara analisa momennya sudah sangat aman ( kecil ) di banding dengan Portal Gabel tanpa releases ( momennya besar bahkan di steel design hasil outputnya cenderung ke arah warna merah,)tetapi pada output deformasinya cenderung kaku ( atu sedikit pergoyangan ). mohon penjelasannya pak !

Made Pande mengatakan...

Terima kasih atas apresiasinya, sukma. Untuk masalah deformasi yang besar banyak penyebabnya, belum tentu dari sisi teknis desain, tapi bisa juga dari sisi pelaksanaan konstruksi, dll. Sebelumnya dicek dulu deformasi yang terjadi masih masuk dalam batas ijin atau tidak. Jika masih masuk (walaupun secara visual terlihat melendut) sebenarnya tidak masalah, karena peraturan pun mengijinkan terjadinya lendutan sampai batas tertentu untuk menjamin kenyamanan pengguna saja, bukan untuk masalah keamanan. Maka dari itu belum tentu stress ratio yang aman (berwarna birupun) akan terhindar dari masalah deformasi. Sehingga memang pengecekan lendutan itu harus dilakukan selain kita mengecek stress ratio struktur. Logika simpelnya, batang IWF 150.75 untuk bentang 1 m, pasti terlihat kokoh sekali, tapi coba ubah bentangnya menjadi 10 m atau lebih, menahan berat sendirinya saja mungkin balok tersebut akan melendut cukup besar.

Apakah SAP2000 menghitung sambungan? Sayangnya tidak. Sambungan perlu kita hitung sendiri secara terpisah. SAP2000 hanya memberikan informasi ke kita kebutuhan berapa nilai gaya yang harus ditahan oleh sambungan dari hasil analysis. Jadi, langkah yang perlu dilakukan dari sisi teknis desain adalah sbb:
1. Cek kekuatan sambungannya apakah sudah memenuhi kebutuhan gaya yang dipikul atau tidak. Sambungan yang tidak memberikan kekuatan yang dibutuhkan pastinya akan mengakibatkan kendornya hubungan antar batang dan itu akan mengakibatkan deformasi yang tidak sesuai dengan hasil desain.
2. Cek kesinkronan tipe sambungan dan jenis tumpuan kolom pada permodelan desain dengan aktual struktur yang dibangun, apakah sudah sinkron atau belum. Jika tidak sinkron, jangan harap perilaku struktur aktual akan mendekati perilaku struktur dalam permodelan.
3. Cek apakah input spek material (terutama nilai modulus elastis dan dimensi penampang) dalam permodelan sesuai dengan material yang terpasang atau tidak.
4. Cek input pembebanan apakah sudah benar atau tidak, karena besar beban berbanding lurus dengan deformasi.
5. Cek apakah camber (lawan lendut) sudah diberikan pada struktur bentang panjang untuk mengatasi lendutan yang berlebihan.
6. dsb..

Itu beberapa poin yang perlu dicek untuk sisi desain. Jika pengecekan dari sisi desain sudah oke (tidak ada masalah), kemungkinan besar lendutan terjadi pada saat erection, contohnya pengencangan baut yang kurang kencang. Hal ini pernah terjadi pada proyek yang pernah saya ikuti. Karena terburu-buru (karena susuatu hal), struktur dipasang tanpa pengencangan baut yang cukup dan akhirnya melendut cukup besar, padahal struktur lain (tipe sejenis) yang sudah terpasang tidak ada masalah. Begitu menurut saya.