Minggu, 19 November 2017

Aplikasi Android "Steel Beam Design"

“Membunuh semut tidak perlu pakai bazoka, cukup dengan semprotan baygon”. Kira2 seperti itulah prinsip yang akan kita lakukan dalam menghadapi berbagai permasalahan. Termasuk menyelesaikan permasalahan dalam bidang Teknik Sipil. Banyak persoalan2 kecil yang dapat ditangani hanya dengan alat hitung yang sederhana seperti kalkulator, microsoft excel, dsb., tanpa perlu menggunakan program berat dan advance seperti program SAP2000. 

Jika permasalahannya hanya balok sederhana dengan tumpuan sendi rol yang dibebani beban titik pada tengah bentang, apakah perlu menggunakan program canggih seperti SAP2000 untuk menyelesaikan permasalahan bentuk profil baja yang kuat untuk menerima beban tersebut? Ini sama saja ibarat membunuh semut dengan menggunakan bazoka atau bahkan bom nuklir. Masalah memang terselesaikan, tetapi tidak efisien, banyak energi yang terbuang percuma. 

Selain itu untuk mengoperasikan program SAP2000 kita memerlukan sebuah laptop atau PC dengan kemampuan lumayan tinggi (jika ingin proses berjalan dengan cepat), perlu mendownload file installer ratusan atau bahkan ribuan MB, perlu memberi input dengan langkah yang tidak sedikit, dsb. Belum lagi jika harus menggunakan program yang berlisensi resmi, biayanya sangat mahal, mungkin bisa sampai ratusan juta, lebih mahal daripada harga PC atau laptop itu sendiri. Padahal permasalahan yang akan diselesaikan sangat sederhana. Misalnya seperti menyelesaikan masalah struktur statis tertentu seperti balok dan kolom kantilever, balok tumpuan sederhana, dsb. 

Bukankah bisa dihitung secara manual?

Ya, bisa saja. Tetapi perhitungan manual jika harus dilakukan berkali-kali dengan variasi bentuk penampang dan panjang bentang profil baja yang bermacam-macam tentu juga akan sangat melelahkan dan membutuhkan waktu yang tidak sebentar jika tidak mengandalkan alat bantu hitung seperti program excel. Apalagi jika ada deadline untuk menyelesaikannya dalam waktu singkat, tentu menghitung manual juga akan menjadi tidak efisien dan berpotensi besar terjadinya “human error” seperti salah input data. 

Lalu apa solusinya mas?

Solusinya adalah dengan membuat program perhitungan sendiri. Ibaratnya kita berusaha membuat program perhitungan seperti program SAP2000 tetapi dengan kemampuan yang sangat sederhana. Microsoft excel adalah salah satu alat bantu yang sangat powerfull untuk hal ini. Kita bebas berkreasi membuat program seperti apapun sesuai keinginan kita, tidak dibatasi oleh apa yang dibuat oleh orang lain. 

Memangnya anda sudah buat programnya mas?

Sudah dan cukup banyak. Hal tersebut sudah saya lakukan sejak sekitar 2 tahunan yang lalu. Contoh2 beberapa program perhitungan baja dengan bantuan program excel yang saya buat dapat dilihat di channel youtube saya di Channel “Civil Engineering” (https://www.youtube.com/channel/UCWoZ8VMib9fanI3RkxaQ5eA). Di channel tersebut baru beberapa program excel yang saya upload videonya.

Bagaimana jika ada teman2 yang membutuhkan program tersebut?

Nah ini dia permasalahannya. Ibarat hasil karya jika ingin didistribusikan secara cuma-cuma sepertinya kok agak mengganjal di hati. Seperti halnya jika Pak Wiryanto Dewobroto capek2 membuat buku lalu diedarkan dan dijual secara gratis tis, saya kira beliau juga tidak mengharapkan hal tersebut terjadi. 

Solusinya?

Untung saja dunia IT sudah berkembang sangat pesat hingga melahirkan wadah sharing hasil karya pemrograman melalui Google Playstore. Hal ini akan melahirkan “win-win solution” antara si pembuat program dengan si pengunduh program. Tentu hampir dari kita semua yang memiliki smartphone berbasis OS Android sudah mengerti apa itu Google Playstore. Sehingga saya berkolaborasi dengan adik saya yang memiliki kemampuan di bidang pemrograman untuk membuat aplikasi perhitungan kuat balok wide flange baja untuk OS berbasis Android. Aplikasi ini dapat anda download di alamat Google Playstore berikut:




Berikut adalah poin2 penting yang perlu diketahui dan dipahami dalam menggunakan aplikasi ini:

1. Aplikasi ini sudah memuat 29 bentuk profil baja wide flange yang tersedia di pasaran Indonesia (sesuai tabel baja Wide Flange PT.Gunung Garuda) ditambah dengan 4 bentuk profil baja (No 30 s/d 33) yang disediakan untuk verifikasi kuat lentur sesuai provision F3 s/d F5 dari Code AISC 360-10. Namun memang di aplikasi ini belum ada fitur “Add New Profil Dimension” untuk menginput bentuk profil baja sesuka kita. Fitur “add new profil dimension” ini akan tersedia pada update versi berikutnya.





2. Aplikasi ini juga sudah memuat standard spesifikasi kuat material yang umumnya tersedia di pasaran Indonesia, seperti ASTM A36, JIS SS400, SNI BJ 37, dll. Sehingga jika kita ingin mengecek kekuatan balok baja berdasarkan spek material yang kita inginkan, hal tersebut dapat dilakukan secara cepat dan kilat. Dan di aplikasi ini juga belum ada fitur “Add New Material Strength” untuk menginput kuat material baja sesuka kita. Fitur “add new material strength” ini akan tersedia pada update versi berikutnya.





3. Perhitungan berat sendiri profil baja wide flange di aplikasi ini tidak memperhitungkan area berbentuk radius di sekitar pertemuan web dengan flange yang terbentuk selama proses penggilingan, sehingga berat yang tertera akan sedikit berbeda (lebih ringan) dari pada berat aktual yang umumnya tertera pada tabel baja Wide Flange PT.Gunung Garuda, karena bentuk profil dianggap lurus tanpa adanya radius di pertemuan web dan flange seperti ketika kita menginput bentuk profil pada program Sap2000 (dengan asumsi berat jenis baja yang digunakan adalah sebesar 78.5 kN/m^3)


4. Aplikasi ini akan menghitung kuat nominal momen dan kuat nominal geser balok baja Wide Flange baik pada arah sumbu kuat (Mn.x, Vn.y) maupun pada arah sumbu lemah (Mn.y, Vn.x). Output kekuatan ijin lalu dapat dipilih dengan menggunakan metode desain LRFD (Load Resistance and Factor Design) atau ASD (Allowable Strength Design) disesuaikan dengan Load Combination yang dipakai dalam menghitung gaya dalam pada balok. 




5. Untuk kuat momen arah sumbu kuat, aplikasi ini akan menampilkan nilai Lp (batas panjang balok tidak terkekang secara lateral untuk batas keadaan leleh) dan nilai Lr (batas panjang balok tidak terkekang secara lateral untuk batas keadaan “inelastic lateral-torsional buckling”) dari tiap penampang balok yang dipilih. Nilai Lp dan nilai Lr adalah nilai yang penting untuk diketahui karena keruntuhan akibat “lateral torsional buckling” sangat ditentukan oleh nilai panjang Lb (panjang balok yang tidak terkekang secara lateral) apakah masuk dalam kategori “Lb ≤ Lp”, “Lp < Lb ≤ Lr”, atau “Lb > Lr”. Sedangkan pada program Sap2000 setelah saya cek tidak menampilkan nilai Lp dan Lr ini dalam output desainnya. Jika kita tidak mengetahui nilai ini maka kita hanya akan melakukan trial dan error dalam menentukan nilai panjang balok Lb.



6. Nilai rts untuk menghitung nilai Lr pada provision F2 adalah menggunakan rumus F2-7 pada AISC 360-10, tidak menggunakan rumus pendekatan yang lebih konservatif seperti yang tertera pada “User Note”. Perbedaan pengambilan nilai rts ini akan memberikan nilai kuat momen yang sedikit berbeda. Itu alasan kenapa jika kita mencoba membandingkan nilai kuat momen suatu profil hot rolled pada aplikasi ini dengan studi kasus dimensi profil baja yang sama yang ada pada “Buku Struktur Baja” Edisi ke-2 tulisan Pak Wiryanto Dewobroto, hasilnya akan sedikit berbeda. Selain itu perbedaan hasil ini juga terjadi karena diabaikannya efek radius area pada pertemuan web dan flange (khusus hanya pada profil hot rolled) yang akan berimbas pada perbedaan nilai berat profil, nilai momen Inersia, dan nilai modulus elastis dan plastis penampang. Namun perbedaannya sangat kecil sehingga dapat diabaikan. Perbedaan ini juga dilakukan oleh program Sap2000 yang tidak memperhitungkan radius area tersebut.

7. Nilai Cb (nilai modifikasi kekuatan lentur akibat gradient moment) harus diinput secara manual oleh pemakai aplikasi. Nilai Cb = 1 adalah nilai yang sangat konservatif (aman), karena nilai Cb selalu diatas nilai 1. Semakin tidak seragam nilai gradient momen pada suatu bentang Lb, maka nilai Cb akan semakin besar, dan sebaliknya jika semakin seragam maka akan semakin kecil atau mendekati nilai 1). Berbagai nilai Cb untuk balok tumpuan sederhana (sendi-roll) dapat dilihat di Table 3-1 dokumen AISC Steel Construction Manual seperti berikut:



8. Untuk penampang web berkategori langsing yang membutuhkan “transverse stiffener” (untuk menaikkan kekuatan geser penampang) bahkan kita dapat memasukkan parameter “transverse stiffener” pada aplikasi untuk menaikkan kekuatan geser balok baja sesuai jarak antar “transverse stiffener” yang diinput. Input “transverse stiffener” ini tidak tersedia pada program Sap2000. Untuk mengaktifkan input ini, pastikan kondisi h/tw > 2.46 x (E/Fy).



9. Selain itu jika dibandingkan dengan program Sap2000 (untuk versi 11, saya belum cek untuk versi di atasnya), untuk kekuatan geser penampang arah sumbu lemah, program Sap2000 tidak memperhitungkan efek kelangsingan penampang dalam menghitung kekuatan gesernya. Sedangkan aplikasi ini sudah memperhitungkan reduksi kekuatan geser arah sumbu lemah akibat efek kelangsingan penampang.

Contoh Penggunaan Aplikasi  untuk menyelesaikan suatu Kasus

Cara menggunakan aplikasi ini bagaimana mas? Berikut di bawah akan saya berikan contoh kasus untuk memahami penggunaan aplikasinya. Berikut adalah kasusnya:

Suatu saat Panjul yang bertugas sebagai field civil engineer di suatu proyek dihadapkan suatu permasalahan untuk menentukan berapa besar dimensi profil balok baja wide flange yang dibutuhkan untuk menahan beban equipment sebesar 60 kN yang berlokasi pada tengah bentang dengan jarak bentang sebesar 5 m dari tumpuan ke tumpuan. Bentuk strukturnya adalah seperti dibawah:



Tukang2 yang ada disekelilingnya menganjurkan untuk menggunakan balok WF 250x125x6x9 saja karena menurut pengalaman dan instinct mereka itu cukup kuat. Namun sebagai civil engineer yang bermartabat Panjul tidak dapat menerima masukan subjektif dari tukang yang hanya berdasarkan feeling semata. Panjul ingin memastikan bahwa balok memang benar2 cukup kuat dalam menahan beban secara perhitungan matematis, sehingga jika terjadi sesuatu dia tidak disalahkan dan dibully oleh teman sejawatnya dan para netizen. 

Maka dari itu Panjul segera mengeluarkan alat bantu tulis untuk menghitung beban momen maksimum yang diterima oleh balok tersebut. Dia asumsikan beban equipment sebagai beban hidup sehingga kombinasi beban yang digunakan adalah: 1.2 DL + 1.6 LL, dengan LL adalah beban equipment dan DL adalah berat sendiri dari balok baja. 

Dengan perhitungan sederhana, Panjul dapat mengetahui berat sendiri balok baja WF 250x125x6x9 tanpa membuka tabel Gunung Garuda, yaitu dengan mengalikan luas penampang dengan panjang bentang dan berat jenis baja 7850 kg/m^3, maka didapatkan angka 28.59 kg/m atau 0.2859 kN/m. Lalu dia menghitung beban LL = 60 kN/2 = 30 kN per bentang balok.

Setelah mengetahui beban2 yang diterima balok maka Panjul segera mulai untuk menghitung besar gaya momen dan geser yang terjadi pada internal balok dengan rumus sederhana seperti berikut:

1. Gaya Momen dan Geser akibat beban DL:
M1 = 1/8 x q x L^2 = 1/8 x (0.2859 kN/m) x (5 m)^2 = 0.8934 kN.m
V1 = ½ x q x L = ½ x (0.2859 kN/m) x (5 m) = 0.714 kN

2. Gaya Momen dan Geser akibat beban LL:
M2 = ¼ x P x L = ¼ x 30 kN x 5 m = 37.50 kN.m
V2 = ½ x P = ½ x 30 kN = 15 kN

3. Gaya Momen dan geser akibat Kombinasi Beban =
Mu = 1.2 x M1 + 1.6 x M2 = 1.2 x (0.8934 kN.m) + 1.6 x (37.5 kN.m) = 61.07 kN.m
Vu = 1.2 x V1 + 1.6 x V2 = 1.2 x (0.714 kN) + 1.6 x (15 kN) = 24.85 kN

Namun setelah itu Panjul bingung karena dia lupa membawa laptop kebanggaannya. Dia bingung berapa nilai kuat ijin momen lentur dari balok baja IWF 250x125x6x9. Jika bentang balok melebihi nilai Lp maka nilai kekuatan momennya akan tergantung dari nilai Lb, dan jika melebihi nilai Lr maka kuat momennya akan menjadi lebih kecil lagi. Tapi dia tidak mengetahui berapa nilai Lp dan Lr balok tersebut. Untuk menghitung secara manual dia juga lupa karena sudah lama tidak belajar menghitung.

Tiba2 Panjul mendengar bisikan gaib dari mbah Jambrong: “Search di Google Playstore dengan kata kunci “Steel Beam Design” disitu kamu akan mendapatkan jawaban akan kegelisahanmu”. Setelah menerima bisikan gaib tersebut, Panjul segera mengeluarkan hp andoridnya dan mencari aplikasi “Steel beam Design” dan segera menginstallnya. Seketika itu Panjul berteriak kesetanan..: “Eurekaaa…!”

Panjul segera menginput parameter2 yang dibutuhkan untuk memperoleh nilai kuat lentur dan geser balok IWF 250x125x6x9 pada aplikasi tersebut. Pertama-tama dia menginput dimensi profil balok baja yang telah tersedia di dalam aplikasi, lalu input spek material baja SS400, lalu panjang Lb = 5 m, dan nilai Cb = 1.32 (untuk balok sederhana dengan beban titik berada di tengah bentang dan tanpa kekangan lateral di sepanjang bentang). Dengan sekejap kedipan mata maka langsung diperoleh kuat ijin momennya adalah:


  
ØMnx = 55.37 kN.m
ØVny = 190.35 kN

Setelah dicek dengan beban yang terjadi ternyata, Tidak Aman! Nilai Mu lebih besar daripada nilai ØMnx! Panjul langsung menangis sejadi-jadinya. Namun Panjul segera tersadar dari keterpurukan dan mengecek kondisi Lb. Ternyata kondisi Lb balok adalah “Lb > Lr”! Itu artinya Panjul masih memiliki kesempatan untuk hidup. Masih ada harapan menggunakan balok baja IWF 250x125x6x9 dengan cara memberikan tambatan lateral di tengah bentang untuk merubah kondisi Lb menjadi lebih kecil.


Sehingga tanpa berpikir panjang Panjul segera merubah nilai Lb menjadi 2.5 m, dan nilai Cb menjadi 1.67 (cek Tabel 3-1 dari AISC Manual Construction). Dan.. Eurekaaa..! Nilai ØMnx meningkat menjadi 74.42 KN.m sehingga struktur balok masuk dalam kondisi aman sentosa karena nilai Mu menjadi lebih kecil daripada nilai ØMnx. Panjul pun segera memanggil para tukang untuk mengadakan acara syukuran masal.





Sehingga untuk mencapai nilai Lb = 2.5 m maka balok penumpu dengan bentang 5 m perlu diberi kekangan lateral di tengah bentang seperti gambar sketsa seperti berikut:



Sekian, begitulah kira2 bagaimana cara penggunaan aplikasi tersebut untuk membantu civil engineer dalam menyelesaikan persoalan beban lentur dan geser balok Wide Flange. Nantikan program selanjutnya untuk perhitungan beban axial kolom Wide Flange. Semoga bermanfaat.

CMIIW..