PEMODELAN STRUKTUR Problem Based Learning : Problem #3 Oleh : Dewa Ketut Wisnu Frediana 1805511124 PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA 2020 CitiCorp Center adalah gedung pencakar langit pertama di AS yang dibangun dengan tunned mass damper. Menara ini adalah gedung tertinggi ke-6 di NYC. Menara ini dibangun pada tahun 1977 yang difungsikan untuk perkantoran komersial Citibank. CitiCorp ini terletak di tengah kota Manhattan, New York City. Tinggi Citicorp Center adalah 915 feet (279 m). Bangunan ini adalah salah satu yang paling khas dan menonjol di Newyork dikarenakan pada saat pemilihan bahan yang ringan dan terang sehingga bangunan ini dapat menerangi bangunan Gambar 1. Berita Citicorp Center Tower sekililingnya. Perancang bangunan ini adalah Hugh Stubbins, lahir pada 11th, 1912 dan berpendidikan di Georgia Institute of Technology (Undergrad) dan Harvard University (Master). Structral Engineering dari Citicorp Center ini adalah Wiliam Lemessurier, lahir pada June 1926 dan berpendidikan di Harvard University (BA Mathematics), Harvard Graduate School of Design, MIT (Masters in Engineering). Bahan yang digunakan untuk struktur adalah baja dan beton. Baja digunakan untuk sistem bracing chevron. Struktur utama dari untuk bangunan ini adalah sistm bracing dan empat kolom serta inti (core). Sistem bracing ini menyebabkan bangunan menjadi sangat ringan karena adanya pengaruh transfer beban dan akan menyebabkan bangunana bergoyang saat terkena angin yang kencang. Penggunaan struktur kolom yang besar yang berjumlah 4 serta inti core di tengah-tengah bangunan Gambar 2. Sistem Struktur Citicorp agar konsturksi tersebut seperti sebuah podium. Gambar 4. Tunned Mass Damper Gambar 3. Eksterior CitiCorp a) Penggunaan material yang ringan seperti Aluminium digunakan pada exterior bangunan dan kaca yang digunaan pada facade bangunan. Hal tersebut mengakibatkan banguna menara sangat rentan terkena beban angin yang sangat besar. Solusi : Pada bangunan pencakar langit ini dipasang peredam yang dapat menyeimbangkan bangunan yang terkena beban lateral. Gambar 5. Tampak Kemiringan Atap Gambar 6. Sketch Kemiringan Atap b) Pada saat perancangan bangunan, klien meminta pada stubbins agar atap yang dirancang terlihat ekspresif dan praktis. Selain itu, klien meminta agar atap yang unik ini dapat memberikan efek positif seperti The Chrysler Building, karena keunikan atapnya membuat bangunan tersebut menjadi ikon Newyork City. Solusi: Pembuatan atap ini mebuat Stubbins mejadi berpikir untuk memanfaatkan kemiringan atapnya menjadi solar panel, tetapi ditolak karena tidak praktis. Gambar 8. Sudut Citicorp Gambar 7. Struktur Citicorp di sekitar Gereja c) Pada tahun 1970, ketika stubbins merancang desain Citicorp dia ingin desain tersebut dapat melestarikan gereja yang ada di sekitarnya. Selain itu, pemilik gereja mengisyaratkan agar kolom-kolom bangunan tidak melewati batas gereja. Solusi : Sehingga stubbins menempatkan kolom-kolom yang besar tersebut pada sisi tengah dan tidak menempatkan pada sudut bangunan dikarenakan terdapat gereja di bawahnya. Gambar 9. Sistem Bracing Chevron Citicorp Gambar 10. Penulangan Kolom Citicorp d) Sistem bracing chevron mengumpulkan beban lantai yang sangat besar ke tengah setiap permukaan yang kemudian mentransfer beban ke bawah ke kolom raksasa tepat di bawahnya. Bracing juga menahan seluruh beban angin yang mencegah torsi apa pun. Di dasar menara, di mana bracing chevron berakhir adalah lantai transfer yang seluruhnya terikat yang membantu beban dari bracing chevron ditransfer ke kolom, serta mentransfer geser angin e) Pada bulan juni 1978, seorang mahasiswa sarjana di Universitas Pricenton, Diane Hartley dan Insinyur desain Joel Weinstein mendapatkan bahwa perhitungan struktural tersebut terdapat kesalahan, itu memungkinka bahwa akan terjadi keruntuhan pada bangunan saat badai melanda di Newyork. Lebih tepatnya mempertimbangkan efek dari “angin quartering” yang berdistribusi diagonal pada sisi bangunan terdapat pada ujung-ujung bangunan. Gambar 11. Sambungan Baja Bracing f) Berkaitan dengan permasalahan di poin e, setelah mengetahui terdapat kesalahan yang sangat fatal. Penyebabnya adalah selama konstruksi semua sambungan hanya dibaut tanpa di Las. Lalu Structural Engineers yang bernama Wiliam Lemessurie secepatnya memanggil pekerja Las yang berasal dari Louisian untuk mengelas sambungan pada setiap bracing dengan menambahkan pelat baja setebal 2 inchi (50,8 mm) pada setiap 200 sambungan baut. Pekerjaan ini dilakukan selama 3 bulan secara diam-diam saat malam hari, para pekerja konstruksi masuk setiap malam dan mengeluarkan drywall dan melakukan pengelasan. g) Akibat dari kesalahan yang melanda Citicorp tersebut didapatkan total biaya sebesar, 8 Juta dolar untuk perbaikan sistem struktural, ditanggung oleh Citigroup sebesar 6 Juta dolar dan asuransi Le Messurier sebesar 2 Juta. Kegagalan ini disembunyikan dari publik selama 20 tahun, sehingga saat berita muncul langsung menjadi trending di Newyork City. Gambar 12. HUGH STUBBINS Gambar 13. WILLIAM LEMESSURIER Modelkan struktur rangka seperti gambar dibawah dengan ketentuan sebagai berikut Panjang bentang (L) = 6,35/bentang Tinggi lantai (H) = 4.35 / lantai Beban vertikal merata = 1 KN/m Beban lateral terpusat 10 KN/m SOLUSI # 3B • Bukalah aplikasi SAP2000 • Klik pada menu “new model” Pilih menu template 2D frame • Pada 2D frame type pilih menu Portal. • Number of stories digunakan untuk menginput jumlah tingkat , pada pemodelan problem 3 ini kita menggunakan 2 tingkat dengan story height adalah 4,NN m (NN=35). • Number of bays digunakan untuk menginput jumlah bentang pada pemodelan yang di buat , pada problem ini jarak antar bentang digunakan sebesar 6,NN m (NN= 35) • Klik “OK” saat dimensi portal telah di input untuk memunculkan model • Karena objek yang dimodelkan merupakan portal 2 Dimensi maka untuk window view bisa di close dengan meng-klik tanda x • Maka program SAP2000 akan mengeliminasi window 3D dan akan menampilkan 1 window 2d dengan arah X,Z • Untuk mengecek dimensi dan detail dari material • Klik menu define lalu dilanjutkan dengan section properties • Window frame properties akan muncul , dan untuk melihat detail dari properties atau memodifikasinya gunakan modify/show property • Add new property > wide flange> masukan dimensi> ok • • Dalam memodel struktur ini, digunakan profil baja H. Dengan dimensi 310mmx125mm Struktur balok digunakan profil baja WF dengan dimensi 250 mm x 28.4mm • Struktur braced frame menggunakan profil baja H dengan dimensi 250mm x 53mm • Karena pada problem ini tujuannya untuk membandingkan 3 macam model portal yang di berikan modifikasi pada 2 model lainya makan kita akan kita duplikasi dari model yang telah kita buat. Gunakan keypad untuk menekan tombol Cntrl + R maka window disamping akan muncul. • Karena window menampilkan gambar pada sumbu XZ, duplikasi akan di lakukan pada bentang X. ` • Pastikan jarak model yang akan diduplikasi tidak akan menempel pada model duplikasinya. • Pada kelompok ini digunakan jarak antara keseluruhan bentang + 3 m . • Pada kasus ini panjangnya 6.35m / bentang maka jarak duplikasi model yang akan digunakan (6.35m x 3 + 3m ) = 22.05 m. • Increments Data merupakan berapa banyak duplikasi yang akan keluarkan. • Untuk menggambar temberis digunakan menu draw frame/cable • Pada properties kita gunakan default saja berupa baja 250 • Temberis diberikan seperti pada struktur portal seperti pada gambar disamping. • Portal sebelah kanan diperlakukan dengan mengatur sambungan balok dengan kolom adalah sendi. • Portal ditengah diperlakukan dengan mengatur sambungan balok dengan kolom adalah kaku. • Mengubah sambungan balok dan kolom dari kaku menjadi sendi perlu dilakukan hal seperti berikut. Blok portal pada bagian sambungan balok >assign> frame > release/ partial fixity. • Centang pada Moment 33 pada release start dan end >apply atau OK. • Maka tampilan setelah di relase akan seperti gambar di bawah berikut. • Untuk balok di tengah , pada bracing/temberis release, hanya di lakukan pada temberis dan sambungan antara balok dan kolom tetap dibiarkan kaku. • Pada setiap lantai diberikan pembebanan merata sebesar 1KN/m dengan Blok bagian portal >assign>frame loads> distributed. Untuk menambahkan beban merata • Pada assign frame distributed loads > unit loads di isi dengan jumlah 1 kn/m • Pada option dapat dipilih add to existing load / replace to existing loads • Karena pada batang tidak ada beban yang diberikan sebelumnya jadi tidak bermasalah jika kita memilih replace existing loads Selanjutnya pada setiap lantai akan di berikan beban lateral sebesar 10 Kn ,dengan langkah berikut • Klik pada setiap pertemuan balok dan sendi di sebelah kiri • Gunakan assign>joints loads> force lalu masukan beban lateral pada sumbu x sebesar 10 Kn • Run > Run Now untuk mendapatkan hasil analisis Analisis Lanjutan • • • • • • • • • Setelah selesai merunning dan mendesain struktur baja. tentunya kita harus mengecek struktur kita aman atau tidak. Hal ini bisa diketahui melalui mengecek nilai stress ratio, yaitu nilai perbandingan antara gaya dalam ultimit (hasil beban kombinasi maksimum yang bekerja membebani bangunan). Untuk memunculkan nilai stress ratio adalah “Design”->Steel Frame Design -> Display Design info -> Design Input -> P.M Ratio color & values. Bila stress ratio kurang dari 1, maka elemen struktur masih dalam kategori aman, tetapi jika lebih besar dari 1 maka kategorinya menjadi tidak aman, maka dari itu kita perlu mengganti batang profil yang lebih kuat. Berdasarkan Model masing-masing nilai tidak ada yang melebihi nilai maksimum stress ratio yaitu 1. Untuk mengecek penyebab utama kegagalan suatu batang profil (apakah disebabkan oleh gaya aksial, momen, geser) maka kita perlu melihat lebih jauh ke dalam detail informasi output pada tiap batangnya. Dengan klik kanan pada batang (dalam kondisi stress ratio aktif Maka akan keluar infomasi data yang cukup lengkap mengenai hasil stress ratio pada suatu batang profil. Jika diamati, terlihat penyumbang nilai stress ratio terbesar pada batang no 52 ada pada nilai B-Maj nya (0.08). Ini berarti gaya yang kuat bekerja pada elemen tersebut adalah momen pada arah sumbu kuatnya. Bila data diatas dirasa tidak cukup lengkap, kita dapat mendapatkan informasi yang lebih detail dengan cara mengklik tombol “details” pada box “Display details for selected Items” Maka hasil output sudah terlihat , jika melihat peringatan “ warning kl/r > 200. itu artinya syarat kelangsingan kolom. • • • • • • Jika ternyata dimisalkan profil kita tidak cukup kuat menahan beban yang terjadi (stress ratio > 1),maka kita dapat merubah profil elemen secara langsung dengan mengklik “Overwrites” dan akan muncul tampilan sebagai berikut. selanjutnya klik pada “Current Design Section” dan pilihlah profil yang di inginkan untuk menganti profil sebelumnya. Yang perlu diingat jika sudah merubah bentuk profil, maka seharusnya kita mengecek apakah hasil analysis sudah singkron dengan profil hasil design dengan cepat, Untuk mengecek apakah hasil analysis sudah singkron dengan profil hasil design dengan cepat, kita dapat melakukannya dengan cara mengklik : Design -> Steel Frame Design -> Verify Analysis vs Design Section. Maka akan memberikan hasil sebagai berikut, jika OK berarti profil design dan analisis cocok. Setelah hasil analisis dan design sinkron, selanjutnya cek stress ratio-nya. untuk melakukan tujuan dengan cepat, dapat kita lakukan dengan cara : Design -> Steel Frame Design -> Verify all member passed. HASIL ANALISIS 1. Deformasi Shape: • Model 1 = Struktur tersebut mengalami deformasi yang besar dikarenakan struktur tersebut tidak menggunakan sistem penahan gaya lateral (Bracing) dan tidak menggunakan sistem rangka pemikul momen (balok ikut menyumbangkan kekakuannya) • Model 2 = Struktur tersebut hampir tidak mengalami deformasi karena struktur tersebut menggunakan sistem bracing yang dapat menahan gaya lateral yang bekerja. • Model 3 = Struktur tersebut hampir sama dengan model 2, tetapi pada model 3 ini menggunakan 2 sistem penahan yaitu bracing dan SRPM (sistem rangka pemikul momen) 2. Moment 3-3 • Model 1 = terlihat jelas bahwa struktur tersebut dibebani beban aksial secara merata mengakibatkan terdapatnya momen positif dan negatif pada setiap baloknnya • Model 2 = terlihat struktur tersebut tipikal dengan model 3 tetapi pada ujungnya terjadi momen negatif karena sistem balok tidak direlease, dan juga bracing terkena momen • Model 3 = struktur tersebut hanya memunculkan momen positif dikarenakan sistem balok kaku akibat di release. 3. Shear 2-2 Terlihat jelas bahwa gaya geser pada model 1 lebih besar dibandingkan model 2 dan 3 akibat perlakuan yang diberikan berbeda. Sistem penomoran joint, balok, dan kolom pada tiap model: Tabulasi data yang didapatkan pada tiap model dengan NN yang berbeda: Deformasi pada tiap joint: Secara keseluruhan dari data simpangan tersebut menunnjukkan bahwa simpangan pada model 1 lebih besar dari pada model 2 dan 3, hal ini terjadi karena penggunaan bracing pada model 2 dan model 3 yang berfungsi untuk menahan beban lateral, sehingga simpangan pada model 2 dan 3 jauh lebih kecil dibandingkan model 1. Gaya aksial yang bekerja pada tiap model: Dari data gaya aksial yang terjadi, terlihat bahwa terjadi peningkatan gaya aksial model 2 dan 3 pada kolom 5 dan 6, kemudian terjadi penurunan gaya aksial pada balok 11,12,13,14. Hal ini terjadi karena bracing yang diberikan pada model 2 dan 3. Bracing tersebut membuat gaya aksial pada balok ditransfer ke bracing tersebut sebelum diteruskan oleh kolom, sehingga peningkatan gaya aksial terjadi pada kolom 5 dan 6 dan penurunan gaya aksial terjadi pada balok 11,12,13,14. Gaya geser yang bekerja pada masing-masing model: Dari tabulasi gaya geser yang terjadi pada masing-masing model, gaya geser pada model 1 lebih besar dibanding model lainnya akibat dari bracing yang digunakan. Gaya geser pada model 2 lebih besar dibanding model 3 karena pada model 2, sambungan struktur antara balok dan kolom kaku. Momen yang terjadi pada masing-masing model: Dari tabulasi data momen maksimal didapatkan bahwa hampir semua momen pada batang dan kolom model 1 lebih besar dibandingkan model 2 dan 3, akibatnya adalah model 1 memerlukan dimensi penampang yang lebih besar dibandingkan model 2 dan 3. Untuk dimensi penampang yang digunakan pada model 2 dapat didesain lebih kecil dari model 3 karena model 2 didesain rigid. KESIMPULAN: 1. Dapat dibandingkan bahwa dari ketiga model struktur tersebut yang sangat baik dalam hal analisis nya adalah pada model 3, karena model tersebut menggunakan 2 sistem penahan yaitu sistem bracing dan sistem pemikul momen, dikarenakan balok tersebut di per-kaku maka dari itu balok tersebut mengalami momen yang besar. 2. Jika melihat dari segi ekonomis, struktur model 2 sudah sangat cocok dikarenakan dengan sistem bracing saja sudah dapat menahan gaya lateral dan perkakuan setiap balok tidak diperlukan. 3. frame releases adalah suatu fitur pada SAP 2000 dimana kita bisa menentukan suatu sambungan pada batang struktur (frame) akan berperilaku sebagai sendi / pinned (tidak menghasilkan reaksi momen pada ujung batang) atau berperilaku sebagai jepit/ continuous (menghasilkan reaksi momen pada ujung batang), atau bisa juga dimodelkan setengah rigid (kaku)
