Dasar Teori Desain Baja

Artikel ini merangkum aturan peraturan mana yang diterapkan modul desain balok dan kolom baja StatiCAD, serta asumsi apa yang dibuat. Kumpulan aturan yang menjadi dasar adalah ÇYTHYE (Prinsip Desain, Perhitungan, dan Pelaksanaan Struktur Baja Turki) serta ketentuan TBDY 2018 yang terkait dengan baja. Untuk penggunaan, lihat artikel Desain Balok dan Kolom Baja.

info

Pendekatan desain: LRFD (Desain dengan Faktor Beban dan Ketahanan). Faktor ketahanan: lentur φb = 0,90; geser φv = 0,90 (1,00 pada badan I canai panas kompak); tekan φc = 0,90.

1. Material dan properti penampang

Mutu baja ditetapkan pada elemen bersama penampang; Fy dan E dibaca dari pustaka material. Properti penampang (A, Ix, Iy, Wel = Sx, Wpl = Zx, Zy, Sy, J, Cw, h, b, tf, tw, r) diambil dari basis data profil fabrikasi. Modulus elastisitas pada pustaka material dapat didefinisikan dalam kg/cm² atau MPa; program mengenali satuannya secara otomatis.

2. Kuat lentur balok (Bab 9)

Untuk balok dengan penampang I/H canai panas simetri ganda yang melentur pada sumbu kuatnya, tiga zona didefinisikan (Lb: panjang tanpa tumpuan lateral):

Zona	Kondisi	Kuat nominal Mn
Leleh (plastis)	Lb ≤ Lp	Mp = Fy·Zx
Tekuk torsi lateral inelastik	Lp < Lb ≤ Lr	Mn = Cb·[Mp − (Mp − 0,7·Fy·Sx)·(Lb − Lp)/(Lr − Lp)] ≤ Mp
Tekuk torsi lateral elastik	Lb > Lr	Mn = Fcr·Sx ≤ Mp

info

• Lp = 1,76·ry·√(E/Fy)
• Fcr = Cb·π²·E/(Lb/rts)² · √(1 + 0,078·(J·c/(Sx·h0))·(Lb/rts)²)
• Lr = 1,95·rts·(E/(0,7·Fy))·√(J·c/(Sx·h0) + √((J·c/(Sx·h0))² + 6,76·(0,7·Fy/E)²))
• rts² = √(Iy·Cw)/Sx, h0 = h − tf, c = 1 (I simetri ganda)

Dalam laporan ditampilkan Lp, Lr, dan nama kondisi batas yang menentukan; dengan demikian kesesuaian antara Lb dan kondisi batas dapat diperiksa secara teknis oleh insinyur. Kekompakan lentur penampang diklasifikasikan; pada sayap tidak kompak, kondisi batas tekuk lokal sayap berlaku.

2.1 Panjang tanpa tumpuan lateral Lb dan faktor modifikasi momen Cb

Lb adalah panjang sayap tekan yang tidak ditumpu secara lateral (ÇYTHYE 9.2.2). Jika bidang tumpuan lateral (Le) pada properti elemen dibiarkan otomatis, diambil Lb = panjang elemen L (antara simpul ujung) dan ujung-ujungnya dianggap tertumpu secara lateral (ÇYTHYE 9.1(a)). Bila terdapat tumpuan lateral di titik antara, panjang tanpa tumpuan terbesar dimasukkan secara manual pada bidang Le.

info

• Cb = 12,5·Mmaks / (2,5·Mmaks + 3·MA + 4·MB + 3·MC) (ÇYTHYE Pers. 9.1), 1,0 ≤ Cb ≤ 3,0
• Mmaks, MA, MB, MC: nilai mutlak momen terbesar sepanjang panjang tanpa tumpuan serta momen pada titik 1/4, 1/2, dan 3/4

Momen diambil dari stasiun balok (ujung segmen) pada penyelesaian elemen hingga; nilai pada titik seperempat diperoleh dengan interpolasi linear di antara stasiun yang bersebelahan.

• Setiap kombinasi kekuatan diperiksa dengan diagram momennya sendiri. Karena Cb berubah menurut kombinasi, kombinasi yang menentukan bukan kombinasi yang menghasilkan momen terbesar, melainkan kombinasi dengan rasio kebutuhan/kapasitas terbesar. Momen desain, nama kombinasi, dan Cb dalam laporan adalah milik kombinasi ini; gaya geser dan gaya aksial diambil dari selubung.
• Kantilever (elemen yang salah satu ujungnya tidak terhubung ke kolom, dinding, atau balok lain): Lb = L dan Cb = 1,0 (ÇYTHYE 9.1(e)).
• Ujung balok sekunder yang menumpu pada balok lain dianggap sebagai tumpuan, seperti tumpuan kolom atau dinding; Cb dihitung dari diagram.
• Bila pada bidang Le dimasukkan Lb yang lebih pendek dari L (tumpuan antara; diagram momen bagian tanpa tumpuan tidak diketahui secara terpisah) atau balok terbagi menjadi kurang dari 4 segmen elemen hingga, diambil Cb = 1,0 (sisi aman).

3. Kuat geser balok (Bab 10)

info

Vn = 0,6·Fy·Aw·Cv1, Aw = d·tw

Jika pada badan I canai panas terpenuhi h/tw ≤ 2,24·√(E/Fy), diambil Cv1 = 1,0 dan φv = 1,00; jika tidak, aturan badan umum diterapkan.

4. Efek kombinasi pada balok (Bab 11)

Interaksi lentur, geser, dan gaya aksial diperiksa dan dituliskan dalam laporan sebagai satu rasio; jika rasio ≤ 1,0 ditandai UYGUN (memenuhi).

5. Lendutan balok

info

f = 5/48 · Mmaks · L² / (E·Ix) (balok sederhana, ekuivalen beban merata); syarat f ≤ L/K.

Mmaks adalah momen layan: yang terbesar dari kombinasi G+Q dan G+S tanpa faktor. Pada balok kantilever, koefisien 1/3 digunakan sebagai pengganti 5/48 (ekuivalen beban ujung; konservatif untuk beban merata). K berasal dari pilihan K lendutan pada properti elemen (default 300; 200 / 150 / manual).

6. Kuat tekan kolom (Bab 8)

Pada elemen tekan dengan penampang I/H simetri ganda, tiga tegangan tekuk elastik dihitung dan yang terkecil menentukan:

info

• Lentur: Fex = π²·E/(KLx/rx)², Fey = π²·E/(KLy/ry)²
• Torsi: Fez = [π²·E·Cw/(KLz)² + G·J] / (Ix + Iy), G = E/2,6
• Fe = min(Fex, Fey, Fez)
• Fy/Fe ≤ 2,25 → Fcr = 0,658^(Fy/Fe) · Fy (inelastik); Fy/Fe > 2,25 → Fcr = 0,877·Fe (elastik)
• Pn = Fcr·Ag, φc = 0,90

Moda yang menentukan dituliskan dalam laporan. Untuk panjang tekuk torsi digunakan panjang sumbu lemah.

Panjang tekuk efektif: Secara default KL = tinggi lantai + selisih elevasi bawah/atas elemen, K = 1,0. Dengan memasukkan K·L secara manual pada bidang Le di jendela hatıl vertikal, panjang terpisah dapat ditentukan untuk setiap sumbu. Jika KL/r > 200, peringatan merah dituliskan dalam laporan (perhitungan tidak dihentikan).

Kelangsingan penampang (Tabel 5.1A, tekan aksial): Sayap b/(2·tf) ≤ 0,56·√(E/Fy); badan hw/tw ≤ 1,49·√(E/Fy). Pada penampang yang melampaui batas (langsing), elemen ditandai dalam laporan sebagai “narin enkesit” (penampang langsing) dan dianggap tidak memadai.

7. Kapasitas lentur sumbu lemah kolom

info

Mny = Fy·Zy ≤ 1,6·Fy·Sy (tekuk torsi lateral tidak terjadi pada sumbu lemah).

8. Efek kombinasi pada kolom (Bab 11.3)

info

• Pr/Pc ≥ 0,2: Pr/Pc + 8/9·(Mrx/Mcx + Mry/Mcy) ≤ 1,0 (11.3a)
• Pr/Pc < 0,2: Pr/(2·Pc) + (Mrx/Mcx + Mry/Mcy) ≤ 1,0 (11.3b)

Pc = φc·Pn; Mcx dihitung sebagai kapasitas sumbu kuat termasuk tekuk torsi lateral (Lb = KLy, Cb = 1,0), dan Mcy dengan aturan sumbu lemah. Persamaan yang digunakan dinyatakan dalam laporan.

9. Gaya dalam dan kombinasi pembebanan

M, V (dan N) untuk balok, serta N, Mx, My, dan V untuk kolom, diambil dari penyelesaian elemen hingga program sebagai selubung kombinasi berikut:

• Kombinasi milik program, dalam bentuk yang telah dikonversi untuk desain baja: pada kombinasi dengan gempa 1,0G → 1,2G dan Q minimal 1,0Q (TBDY 4.4.4.2). Nama kombinasi ini tampak dalam laporan dengan akhiran “[1.2G+1.0Q]”.
• Kombinasi LRFD ÇYTHYE (dari kasus beban murni G, Q, S, W): 1,4G; 1,2G + 1,6Q (+0,5S); 1,2G + 1,6S (+1,0Q); jika angin didefinisikan, untuk setiap kasus angin 1,2G + 1,6S + 0,8W, 1,2G + 1,0Q (+0,5S) + 1,6W, dan 0,9G + 1,6W.

Jika kasus beban angin tidak didefinisikan, peringatan analisis diberikan. Nama kombinasi yang menghasilkan selubung ditampilkan di samping gaya perlu dalam laporan.

10. Batas cakupan

• Perhitungan kapasitas terbatas pada profil I/H simetri ganda canai panas; profil U, L, T, kotak, dan pipa dapat ditetapkan, tetapi dalam laporan ditandai “kesit tipi desteklenmiyor” (tipe penampang tidak didukung).
• Perhitungan profil canai dingin dilakukan pada modul baja ringan.
• Pada balok, Cb dihitung dari diagram momen kombinasi (Bagian 2.1); pada lentur sumbu kuat kolom diambil Cb = 1,0. Pada kolom diasumsikan K = 1,0; kondisi tumpuan yang berbeda diberikan oleh pengguna melalui bidang Le.
• Pada penampang langsing tidak ada metode luas efektif, dan tidak ada tekuk torsi–lentur untuk penampang simetri tunggal.
• Kondisi penampang daktilitas gempa pada TBDY Bab 9, rasio kapasitas kolom–balok, dan elemen bresing berada di luar cakupan edisi ini.
• Tumpuan lateral pada balok diambil sebagai satu panjang tunggal; tidak ada definisi daftar tumpuan antara (pada balok dengan tumpuan antara, Cb = 1,0). Lb otomatis adalah panjang antara simpul ujung: pada balok yang terbagi menjadi bagian-bagian tanpa tumpuan antara pada arah yang sama, panjang tanpa tumpuan yang sebenarnya harus dimasukkan pada bidang Le.