Rabu, 24 April 2024

faktor reduksi kuat parsial untuk material beton, baja & tanah

kendala perencanaan struktural dengan program bantu elemen hingga nonlinear adalah penentuan kuat rencana (design strength) yg merupakan kuat nominal yg sudah dikalikan dengan faktor reduksi. Peraturan perencanaan negara Eropa sudah mencantumkan nilai faktor material parsial sebagai pembagi, namun peraturan Amerika tidak menentukan langsung dikarenakan pemisahan kekuatan berdasarkan tinjauan gaya. Berikut yg sya dapat dari rujukan pustaka Tong Zhang (2017) untuk beton bertulang dan Bradley J. Schmidt (2000) untuk baja struktural.

untuk peraturan Eurocode 2 nilai phi_s adalah 0.87 dan nilai phi_c adalah 0.67, sedangkan peraturan Canada ditunjukkan oleh menu data nilai masukan diatas yaitu program analisa penampang beton nonlinear Response 2000 yg sudah sejak lama banyak sya gunakan dalam postingan terdahulu. Program elemen hingga nonlinear seperti TNO Diana FEA sudah memberikan menu khusu untuk kuat parsial material tersebut, sedangkan untuk yg lain seperti CalculiX atau OpenSees perlu menentukan sendiri secara manual. Jika sudah menggunakan nilai reduksi material tersebut maka sudah dapat disebandingkan dengan perhitungan cara analitis yg biasa digunakan seperti dalam textbook dan code, ini dapat berguna untuk evaluasi struktur existing atau tujuan perencanaan.

pada perencanaan struktur bawah juga biasa digunakan faktor tersebut, misal untuk daya dukung tanah dan tiang pancang, stabilitas longsor, dll.

(source: GeoLogismiki, 2015)

Daftar rujukan

What are partial factors for?, Malcolm D. Bolton, (1993) link
Review of the Resistance Factor for Steel, Bradley J. Schmidt (2000) link
Partial Material Strength Reduction Factors for ACI 318, Tong Zhang (2017) link

analisa pelat dgn hasil tampilannya tegangan

sebelumnya sya pernah membahas keluaran hasil elemen balok dengan tampilannya tegangan, saat ini yg ditulis adalah untuk elemen pelat. Pada perencanaan beton bertulang yg digunakan adalah hasil keluaran dengan tampilan gaya internal: momen, geser, torsi per unit lebar untuk tujuan perencaanan. Berbeda dengan pelat baja yg membutuhkan tampilan hasil keluaran adalah tegangan dikarenakan material yg homogen dan kriteria tegangan leleh von Mises. Secara prinsip program elemen hinnga untuk elemen pelat klasik menghitung dengan dua cara. keduanya mengacu dari defleksi yg terjadi pada titik pusat elemen berdasarkan asumsi berikut (mengabaikan deformasi geser)

"Points that lie on a line perpendicular to the center plane of the plate remain on a straight line perpendicular to the center plane after deformation."

cara yg pertama yaitu nilai regangan didapat dari hubungan defleksi, sedangkan tegangan diturunkan dari kesetaraan Hooke's law dan kemudian nilai momen dan geser adalah integrasi tegangan pada setebal pelat. Namun cara lain biasanya juga dijelaskan dalam panduan manual software analisa struktur yaitu menggunakan kekakuan lentur pelat (flexural rigidity of plates) dan untuk lebih detailnya merujuk dokumen masing-masing.

Berikut ditinjau pelat dengan ukuran 40x60mm ketebalan 1.0mm dengan tumpuan sisi jepit dan sederhana. Material yg digunakan adalah baja dengan nilai modulus elastisitas E=200000MPa, beban merata sebesar 1.0N/mm2. Solver elemen hingga yg digunakan adalah OpenSees, OOFEM dan CalculiX.

pada saat export atau konversi dengan NextFEM Designer menjadi format Abaqus, beban merata pada elemen shell dijadikan beban terpusat pada nodes dan ini perlu ditinjau ulang dengan beban merata. Secara internal solver CalculiX melakukan expansi elemen S4 menjadi elemen solid C3D8I. Keluaran bernilai positif adalah tegangan tarik (tension) sedangkan yg bernilai negatif adalah tegangan tekan (compression).

secara keseluruhan hasil keluaran tegangan dengan solver CalculiX lebih mendekati dengan OOFEM, sedangkan hasil OpenSees menunjukkan lebih besar. Berikut perbandingan lain dengan penggunaan elemen linear solid hexahedral incompatible dan berlapis pada ketebalan pelat serta mesh pembagi yg lebih halus.

berdasarkan perbandingan dengan elemen solid memperlihatkan bahwa formulasi elemen shell linear pada solver OpenSees lebih baik hasilnya jika dibandingkan dengan OOFEM atau CalculiX. Walaupun demikian elemen tersebut cukup sensitif terhadap mesh pembagi sehingga tetap perlu study konvergensi dengan penghalusan (refinement).

sebagai tamabahan, CalculiX juga mempunyai elemen shell dengan formulasi klasik atau konvensional namun sdh ada perbaikan updates. Hasilnya menunjukkan lebih baik dibanding jenis S4 expanded di CalculiX, dan juga jenis S4 konvensional OpenSees atau OOFEM berdasarkan konsep Mixed Interpolation of Tensorial Components (MITC4).

"A new three-node shell element with six degrees of freedom per node—three translations and three rotations—is presented in this paper. The discrete shear gap approach together with the cell smoothing technique is implemented for treatment of shear locking. The membrane behavior is resolved by means of the assumed natural deviatoric strains formulation with certain adjustments implemented to accommodate for shell behavior. (Gil Rama etal, 2018)"

dan juga perbandingannya dengan hasil keluaran dari SAP2000 Student Version 7.40, terlihat hanya terpaut selisih sedikit dan menunjukan lebih akurat.

mengenai model dan data kepemilikan struktural

berbagi file tiga dimensi antara berbagai pihak terlibat seperti Arsitektural, Struktural, Elektrikal dan juga Managemen Konstruksi seharusnya biasa dilakukan untuk menghindari kesalahan gambar terkait dan pelaksanaannya. Format file tiga dimensi (3D) yg digunakan untuk komunikasi antar pihat tersebut yg direkomendasikan adalah IFC (Industry Foundation Class) untuk BIM (Building Information Model). Biasanya pembuatan model dasar oleh pihak drafter dari Arsitektur, hanya konfigurasi atau letak penempatan kolom dan balok utama saja sebagai acuan dasar bagi pihak Struktural untuk kemudian dilakukan analisa struktural berdasarkan beban dari elemen non-struktural dan juga beban hidup sessuai fungsi ruang. Setelah analisa ditempuh maka kemudian lanjut ke proses desain yg menghasilkan dimensi yg sesuai kebutuhan dan tahap optimalisasi, balok tambahan pembagi beban lantai atau penerus beban dinding biasanya akan ada, mungkin juga dinding geser yg ditempatkan area sudut, tangga atau lift untuk bangunan tinggi.

(source: Dion Moult, 2021)

Program analisa struktur yg beredar sudah banyak menyediakan fasilitas import dan export untuk format tersebut, salah satu program yg dapat digunakan untuk membaca dan melihat model serta melakukan editing ataupun membuat model dari awal adalah BlenderBIM yg merupakan add-on atau plugins untuk Blender 3D. Belakangan sya tertarik dengan file format tersebut karena kemampuannya yg cukup lengkap dalam menyimpan informasi bukan hanya penampang struktural dan material, namun juga beban elemen, pembesian tulangan pokok dan sengkang, sambungan baja, dll. Berikut daftar rujukan mengenai kemampuan format tersebut hubungannya dengan struktural,

Building Information Modeling (BIM) for Structural Engineering: A Bibliometric Analysis of the Literature, Tatjana Vilutiene, Diana Kalibatiene, M. Reza Hosseini, Eugenio Pellicer and Edmundas Kazimieras Zavadskas (2019) link
BIM Methodology in Structural Design: A Practical Case of Collaboration, Coordination, and Integration, Alcinia Zita Sampaio,Paulo Sequeira,Augusto M. Gomes,Alberto Sanchez-Lite (2022) link
Assessment of IFC's for Structural Analysis Domain, Caiyun Wan, Po-Han Chen, Robert L. K. Tiong , (2004) link
Extended IFC-based strong form meshfree collocation analysis of a bridge structure, Sang I. Parka, Sang-Ho Leeb, Ashkan Almasia, Jeong-Hoon Song (2020) link
Generating Structural Model through Automatic Data Extraction using OpenBIM Technology, Satinder Kaur Khattra, Hardeep Singh Rai, Jagbir Singh (2020) link
Automatic generation of Structural models from BIM models using Semantics and Machine Learning, Lini Xiang, Gang Li, Haijiang Li (2023) link
BIM Software Capability and Interoperability Analysis:An analytical approach toward structural usage of BIM software (S-BIM), Ali A. Taher (2016) link
The Properties of Geometrically Modelling Computational Schemes for Building Structures, Vladimir Popov, Eduard Kriksunov, Tatjana Grigorjeva (2020) link
An Automatic Generation Method of Finite Element Model Based on BIM and Ontology, Jing Jia, Jieya Gao, Weixin Wan, Ling Ma, Junda Li and Zijing Zhang (2022) link
Analysis of the interoperability from BIM to FEM, Febe Beirnaert, Alice Lippens (2018) link
BIM Interoperability Tool for Improving IFC-based Model Data Exchange Between Architectural Design and Structural Analysis for Linear Piping Components, Nicholas Cole Crowder, Harleen Kaur Sandhu, Saran Srikanth Bodda, Kevin Han, Abhinav Gupta, Will Ashe (2024) link
An openBIM Based Data Mapping Methodology Towards Structural Analysis Using FEM, Fangzheng Lin, Raimar Scherer (2020) link
On BIM Interoperability via the IFC Standard: An Assessment from the Structural Engineering and Design Viewpoint, Salvatore Gerbino, Luigi Cieri, Carlo Rainieri, Giovanni Fabbrocino (2021) link

dapet puzzle TLA lagi

penyebaran distribusi beban lantai satu arah (one way) dan dua arah (two ways) yg diterapkan pada balok portal sangat membantu dalam mereduksi model, namun dalam perhitungannya digunakan pendekatan dam penyederhanaan serta asumsi. Telah diketahui dari postingan sebelumnya prinsip daari metode penyebaran tersebut adalah dengan membagi nilai sudut keduaa tepian diantaranya, kemudian untuk distribusi merupakan perkalian dari beban merata perluasan dengan panjang batasan tegak lurus baloknya. Berikut gambar dan model diawah ini untuk kondisi lain yg belum dibahas dan mungkin ditemui dalam tahap perencanaan, perbandingan sama dengan sebelumnya yaitu pemodelan pelat lantai dengan elemen shell. Model tersebut diantaranya mengenai tumpuan sisi lain yg lebih kaku misal dinding geser, pengurangan akibat bukaan, balok pembagi atau sekunder, bentuk poligon sisi yg lebih dari empat, kombinasi panel segiempat dan segitiga, balok lengkung, dll.

(source: SCIA Engineer)

ditinjau sebuah panel lantai beton bertulang dengan panjang 4.5x7.0m, dimensi balok 20x40cm dan 25x50cm, beban merata sebesar 10kN/m, dimensi bukaan atau void 0.5x2.75m

hasil dengan pemodelan pelat tebal 0.12m (12cm) ditampilkan berikut, terlihat hasilnya agak berbeda dengan asumsi distribusi beban dua arah, sisi balok yg bertemu bukaan menunjukkan momen positif lapangan yg lebih besar nilainya, gaya geser juga terlihat kecil dan ini kelihatananya perlu perbaikan atau penghalusan mesh. Digunakan solver OpenSees pada NextFEM Designer, jenis balok adalah elasticBeamColumn dengan mengabaikan deformasi geser.

hasilnya setelah penghalusan mesh sebanyak dua kali lipat sebelumnya menunjukkan momen positif lapangan tidak banyak berbeda namun untuk gaya geser tidak demikian.

(source: SCIA Engineer)

(source: S-FRAME)

(source: StackExchange discussions)

(source MIDAS Gen)

panel lantai dengan adanya balok anak (sub-beams) pembagi atau sekunder (secondary beams) agak berbeda prinsip dengan perencana terdahulu, sesuai diskusi sya dengan senior pada waktu itu: jenis baok anak pembagi ini masuk kategori struktur sekunder, perilakunya tidak berpengaruh besar terhadap portal keseluruhan. Analisanya dilakukan terpisah, beban pada balok anak pembagi diasumsikan satu arah kecuali jenis grid atau menyilang.

pada model dengan adanya balok anak pembagi terlihat hasil dari balok utama hampir sama pada kedua metode, namun cukup selisih banyak pada balok anak pembagi itu sendiri.Lajur tengah momen pelat (middle strip) juga menunjukkan bernilai positi semua sepanjang lajur yg mana ini tidak terdapat asumsi pelat dengan tumpuan menerus pada balok anak pembagi.