JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6
1
ANALISA MODEL KERUNTUHAN VARIASI BUKAAN BADAN PADA PROFIL HEXAGONAL CASTELLATED BEAM DENGAN PROGRAM FEA Bagus Priyambodo, danBudi Suswanto, Heppy Kristijanto Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil & Perencanaan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected]
Abstrak—Dewasa ini konstruksi baja merupakan suatu alternatif yang menguntungkan dalam pembangunan gedung dan struktur yang lainnya baik dalam skala kecil maupun besar. Hal ini dikarenakan material baja mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan bahan konstruksi yang lain. Kebanyakan struktur bangunan dengan material baja menggunakan profil baja solid. Tetapi dibandingkan dengan profil baja solid, profil castellated bisa menjadi solusi praktis dalam pengerjaan konstruksi karena karakteristiknya yang cukup menguntungkan. Castellated adalah suatu spesifikasi profil yang kekuatan komponen strukturnya ditingkatkan dengan memperpanjang kearah satu sama lain dan di las sepanjang pola. Dengan menganalisa pemodelan profil hexagonal castellated beam ,kita bisa mengetahui bahwa sudut potongan dan jarak las sangat mempengaruhi keruntuhan dan beban ultimit yang terjadi pada balok kastelasinya. Semakin panjang jarak las dan semakin kecil sudut potongan akan menghasilkan balok yang kuat menahan beban ultimit yang lebih besar. Kata Kunci :analisa, balok kastela, perilaku struktur, profil I.PENDAHULUAN Pada saat merencanakan suatu struktur pada bangunan bertingkat tinggi , bagian-bagian struktur baja biasanya terdiri dari balok dan girder dengan baja yang bagian badannya masih padat. Hal ini menyulitkan pemasangan pipa , ducting maupun pendingin udara. Selain itu, dibutuhkan juga pemeliharaan bangunan secara rutin dimana ducting dan pendingin udara harus diperbaiki di tempat. Oleh karena itu, para peneliti mengembangkan sistem bukaan pada bagian badan baja untuk memudahkan instalasi dan juga untuk pemeliharaan instalasi tersebut secara berkala dalam jangka waktu yang sangat lama. Saat ini terdapat berbagai macam balok baja dengan bukaan di bagian badan profilnya antara lain ialah castellated beams dengan bukaan hexagonal ,cellular beam dengan bukaan lingkaran, beam dengan bukaan bujur sangkar dan juga ada angeline beam serta gabungan berbagai bukaan pada satu beam. Namun yang yang akan saya tinjau dalam tugas akhir ini adalah castellated beam dengan bukaan hexagonal. Hal ini dikarenakan hexagonal castellated beam merupakan profil dengan badan terbuka yang paling sering digunakan di Indonesia dan yang paling mudah difabrikasi secara manual dibandingkan profil dengan bukaan badan yang lain. Karena castellated beam, merupakan profil dengan badan terbuka, maka tentunya bukaan badan tersebut akan mengubah karakteristik dari profil tesebut dan juga pastinya berpengaruh terhadap kegagalan atau keruntuhan yang akan terjadi jika diberi beban tertentu. Oleh sebab itu,
model kegagalan atau keruntuhan ini haruslah ditinjau dan dianalisa karena nantinya bisa dijadikan bahan pertimbangan dari perencana sampai batas mana profil tersebut mampu memberikan beban layan tertentu tanpa mengurangi fungsi dari sebuah konstruksi. Dan nantinya dapat dihasilkan bangunan konstruksi yang ekonomis, efisien dan juga aman. Selain model kegagalan atau keruntuhan profil dapat diketahui juga berapa besarnya defleksi dan tegangan dari profil castellated beam serta bagaimana kronologi beban sampai profil tersebut mencapai runtuh dengan menggambarkan bentuk kurvanya. Hasil analisa-analisa castellated beam tersebut kemudian dibandingkan dengan karakteristik dari profil baja biasa dengan dimensi yang sama sehingga kita bisa mengetahui perbedaannya II TINJAUAN PUSTAKA A. Umum Hexagonal Castellated beam merupakan suatu profil baja yang mempunyai bukaan berbentuk segi enam. Castellated mengalami proses pemotongan pada bagian badan profil dengan pola zigzag. Salah satu bagian yang telah dipotong lalu diangkat dan disatukan bagian badannya dan terakhir dilakukan pengelasan pada bagian badan yang menempel, hal ini dilakukan untuk meningkatkan tinggi dari profil awal (h) dengan tinggi potongan yang ada (d).bentuk castellated beam ditampilkan dalam Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Proses pembentukan castellated beam B. Analisa dan Perencanaan Balok Castellated. Geometri dari balok castellated terdapat tiga parameter yaitu sudut potongan pada bukaan badan profil ,,, rasio ekspansi (α), dan panjang pengelasan (c) yang ditunjukan pada gambar 2.3.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6
2 dipakai sebagai pembanding, baik web solid maupun profil yang sudah dikastellasi.
25.4 cm
Gambar 2.2. Parameter pada Castellated Beam III. METODOLOGI A. Umum Dalam menyelesaikan penulisan tugas akhir diperlukan metode dan urut-urutan yang jelas dan sistematis. Metodologi ini membahas langkah-langkah atau urutanurutan serta metode yang kan dipakai dalam penyelesaian tugas akhir. (Untuk lebih jelasnya bisa dilihat pada flow chart pada Gambar 3.1.
Gambar 3.2 Profil IWF Web Solid
Profil websolid asal menggunakan profil 10B15 A 36fy= 250 MPa dengan panjang = 3048 mm. Untuk specimen castellated beam dapat dilihat pada tabel 3.1 Tabel 3.1 Sampel Profil Castellated Beam No
sampel
n ( cm )
m(cm )
φ
L ( cm )
Fy ( Mpa )
45
350
250
45
175
250
A-3
45
304.8
250
B-1
60
175
250
60
304.8
250
60
350
250
A-1
Start
A-2 1
Studi literatur
B-2
16.51
12.7
55.4
40.58
B-3
Hipotesa 2
Preliminary Design
G-1
4.445
38.1
40
G-2
3.4925
25.4
55
G-3
2.856
19.05
65
250 304.8
250 250
Specimen diberi kode masing-masing A untuk teori vierendel mechanism dan B untuk flexural mechanism
Kontrol Property Pemodelan Run Model
Analisa Tegangan ,
Eagen Buckling
Analisa Rumus Analisa Pembanding Antara Analisa hasil FEA dan Rumus Empiris
Gambar 3.3 Profil IWF Castellated Beam C. Pembebanan Sama halnya dengan profil web solid, pembebanan bertahap juga dilakukan pada profil castellated Beam sampel A-1, A-2,A-3,B-1, B-2, B-3, sampai mengalami runtuh, kemudian sama dengan profil web solid, hasilnya diplot pada kurva.dimana pada FEA diberi beban pressure Po= 30 kN(30000N/( 10x101.6) = 29.575 N/mm2 dan ditingkatkan bertahap 1xPo sampai nxPo sampai mengalami runtuh.
Finish
Gambar 3.1Flowchart metode studi B. Preliminary Design Sebelum dilakukan analisa Castellated Beam secara lebih lanjut baik menggunakan software maupun analisa rumus empiris. Ditentukan terlebih dahulu jenis profil yang
Gambar 3.4 Pembebanan Profil
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6
3
IV KONTROL PROPERTI Umum Sebelum dilakukan analisa,kontrol properti sangat dibutuhkan untuk mengetahui bahwa profil preliminary design tersebut sudah memenuhi syarat atau belum.
A.
2. Web Buckling Pelat badan d − 2tf 381 − 2(6 .83) = = 62 .9 tw 5.84 1100 1100 = = 69.57 fy 250
1365 fy
ho= 254 mm
dt ho e b ao
Mn = Mp - fy∆As ϕMn> Mu
Sampel
tf
( mm )
h
dg
( mm ) ( mm )
Ф
( mm )
b
dt
ho
e=1/4 ho
( mm ) ( mm ) ( mm ) ( mm )
ao ( mm )
6.8
127.0
381
45
127.0
56.7
254
63.5
A-2
254
6.8
127.0
381
45
127.0
56.7
254
63.5
A-3
254
6.8
127.0
381
45
127.0
56.7
254
63.5
317.5
B-1
254
6.8
127.0
381
60
73.3
56.7
254
63.5
210.14697
B-2
254
6.8
127.0
381
60
73.3
56.7
254
63.5
210.14697
B-3
254
6.8
127.0
381
60
73.3
56.7
254
63.5
210.14697
G-1
254
6.8
127.0
381
40
151.4
56.7
254
63.5
366.20541
317.5 317.5
G-2
254
6.8
127.0
381
55
88.9
56.7
254
63.5
241.35271
G-3
254
6.8
127.0
381
65
59.2
56.7
254
63.5
181.94215
Syarat kontrol balok castellated beam terdiri 5 antara lain: Pada specimen A1 1. Local Buckling Pelat sayap
λ=
=
fy
bf
=
2.t f
170
= 10.973
250
101 .16 mm = 7.406 2 x6.83
bf 2f
1680
=
fy
1680
= 108.444
240
h = d − 2 (t ) f mm h = 381 − 2 ( 6 . 83 ) = 367.74 . h t
w
=
367 . 74 5 . 84
= 62 . 9
h ≤ λp tw
) 0 12
Zxtanpa lubang =
≤ λp
Ix
'()
, - ./ - dg % 2t * % 2h$
3 % .4dg % t * .5
'()
=
x
, - ./ - 67 )
80 )9:;9 <='9:>?80 '@A<='9:>
Sx = Ix/ (d/2)
Iy= ( x h x t $ 2 x tf x bf $ % - 6B -./ $ J 1E3 F2b5 x t $* h./ $ G h Iy C 2
L; 1,76rN O5Q 1,76O S O5Q= P
X
X 4 LA
Pelat badan
λp =
Zxberlubang= x b x dg % +2x -
( mm )
254
170
Ixberlubang= x b x dg $ % +2
A-1
λp =
e
4 Tekuk Lateral / Lateral Buckling L = 304.8 cm = 3048 mm A = ( 2 x 6.83 x 101.6 ) + ( 5.842 x 367.34 ) – (254 x 5.84) =2049.762 mm2 '() Ixtanpa lubang= x b x gd$ % 2 x dg % 2t * $
Tabel 4.1 Pembentukan Castellated Beam d
= 86.33
250
3. Momen Lentur Nominal Mp = Zx.fy = 447786.671 x 20 = 111946667.8 Nmm ∆As = h x tw= 254 x 5.84 = 1483.36 mm2 e = 0.25 ho= 0.25 x 254 mm = 63.5 mm
= d ( K1 – 1 ) = 254 ( 1.5 -1 ) = 127 mm = d + h = 254 + 127 = 381 mm 381 − 2(6.83) - 127 = 56.67 mm = dg − 2tf - h = 2 2 = 2h = 254 mm = 0.25 ho = 63.5 mm 127 h = = = 127 mm tan θ tan 45 = 2b + e = 2(127) + 63.5 = 317.5 mm
dg
1365
V fy. t . d/√3 P a /h 6h /d
Gambar 4.1 Geometri Castellated Beam h
=
d − 2tf 1100 ≤ tw fy
RQ
π EGJA W S0 2 C S0 + , IN GJ rN X
FFN) % FA G
W1 O1 X FFN % FA G
5 Kekuatan Geser Untuk tee atas dan tee bawah fy x tw x dt Vpt √3 μ 0
a v= 0 dt
P
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6 ab
√6 μ v √3
ef.
4
d 1.0
√6 μ v √3
. eg.
Vnt < Vpt Tabel 4.2 Sampel Castellated Beamhasil modifikasi No
1
2
Gambar 5.3Beban terhadap Tegangan A1
sampel
n ( cm )
m(cm )
φ
L ( mm )
Fy ( Mpa )
A-1
15
55.4
45
3500
250
A-2
15
55.4
45
1750
250
A-3
15
55.4
45
3048
250
B-1
12.7
40.58
60
1750
250
B-2
12.7
40.58
60
3048
250
B-3
12.7
40.58
60
3500
G-1
4.45
38.11
40
G-2
3.49
25.44
55
G-3
3.49
19.22
65
250 250
3048
250 250
Gambar 5.4Beban Terhadap Defleksi A1
V ANALISA DENGAN PROGRAM FEA
A.Analisa Tegangan dan Defleksi 1 2 3
Gambar 5.5 Tegangan terhadap defleksi A1
Gambar 5.1Titik Keruntuhan Lubang kastela
Pada analisa program FEA, tiga titik menjadi acuan seperti yang ditampilkan pada gambar 5.1. Tiga titik itulah yang akan dianalisa tegangan maupun defleksinyaserta dengan diketahui tiga titik keruntuhan tersebut kita juga bisa mengetahui P limitnya.
Gambar 5.6 Model Keruntuhan Sampel G1
Gambar 5.2 Model Keruntuhan Sampel A1
Gambar 5.7Beban terhadap Tegangan G1
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6
5
Gambar 5.8Beban terhadap Tegangan G1 Gambar 5.6Eigen Mode 2 sampel A1
Gambar 5.9Beban terhadap Tegangan G1 Tabel Output Analisa FEA Sampel
L ( mm )
websolid
q (bs) (N/mm)
fy (Mpa) 250
3048
Ф 0
n ( mm ) -
P ( kN ) 150
Teg.leleh FEA N/mm2
( mm )
( mm )
287.379
19.374
12.70
f FEA
f ijin
A-3
3048
250
45
150
150
288.62
B-2
3048
250
60
127
180
278.92
4.6
12.70
G-1
3048
250
40
44.5
180
297.035
4.33
12.70
G-2
3048
250
55
34.9
180
299.656
4.13
12.70
0.271
9.81
12.70
Gambar 5.7Eigen Mode 2 sampel A1
Tabel 5.3 Ringkasan Eagen Buckling semua specimen Sampel
node
websolid
Eagen buckling
deflection (mm)
mode 1
mode2
mode 3
mode 1
mode 2
1589
27.848
51.295
60.304
0.99
0.007
0.06
A-1
31
48.167
396.9
384.61
0.998
0.129
0.416
mode 3
G-3
3048
250
65
34.9
150
257.722
7.63
12.70
A-1
3500
250
45
150
150
250.923
5.86
14.58
A-2
1750
250
45
150
180
273.32
3.64
7.29
B-1
1750
250
60
127
150
184.311
3.47
7.29
A-2
78
22.398
-31.394
49.765
0.949
0.899
0.346
B-3
3500
250
60
127
180
263.287
6.81
14.58
A-3
3
9.129
17.064
20.244
0.998
0.132
0.137
B-1
22
35.436
-37.205
69.355
0.924
0.758
0.326
B-2
38
-89.49
89.588
106.18
0.988
0.997
0.996
B-3
31
77.302
-80.767
101.95
1
0.988
1.004
G-1
38
86.823
-87.23
108.92
0.993
0.989
0.998
G-2
6
88.828
-89.151
114.65
0.969
0.986
0.998
G-3
7
9.631
19.973
-32.404
0.937
0.519
0.786
B.Analisa Eagen Buckling Buckling analysis adalah pemecahan masalah dari buckling atau tekuk. Analisa buckling digunakan untuk memprediksi kekuatan buckling dari struktur elastis. Pada program Fea. Setiap specimen ditinjau menjadi 3 model buckling seperti dapat dilihat pada gambar 5.5-gambar 5.7
VI. ANALISA RUMUS EMPIRIS Analisa rumus empiris digunakan sebagai pembanding dan kalibrasi hasil program FEA digunakan berdasar teori dari beberapa metode . Dalam bab ini saya menggunakan 3 metode utama yaitu 1.
Analisa P limit
P
φ Gambar 5.5Eigen Mode 1 sampel A1
n
n Gambar 6.1 Model percobaan halleux method
P (limit ) = ( 8Zt x Fy ) / n Dimana :
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6
6
Zt = modulus plastis tee section Fy = Tegangan leleh baja n = Lebar titik yang dilas
2.
Tabel 6.1 Perhitungan P (limit) metode halleux Sampel
bf ( mm )
t f ( mm )
d T ( mm )
t w ( mm )
fy (Mpa)
n ( mm )
Zt
P ( limit ) 4
(N)
( mm ) 14507.719
193436
A-1
56.7
250
A-2
56.7
250
14507.719
193436
A-3
56.7
250
14507.719
193436
B-1
56.7
250
14507.719
228468
14507.719
228468
14507.719
228468
B-2
56.7
250
B-3
101.6
6.83
5.84
56.7
250
G-1
56.7
250
G-2
56.7
250
G-3
56.7
250
150
127 44.5 34.9
14507.719
652032
14507.719
831388
14507.719
831388
3.
4.
2. Analisa Tegangan σ=
M .y I
5.
Keterangan : σ : tegangan M : Momen yang bekerja pada garis berat y : jarak dari sumbu netral (h/2) ( m ) Tabel 6.2 Perhitungan Tegangan Castellated Beam dg
Sampel
Ix
fy 4)
( mm )
(mm
381 381 381 381 381 381 381 381 381
84495818 84495818 84495818 58818412 58818412 58818412 93628750 67903528 56045061
A-1 A-2 A-3 B-1 B-2 B-3 G-1 G-2 G-3
(Mpa)
250 250 250 250 250 250 250 250 250
2
( N/mm )
62255988 62255988 62255988 62255988 62255988 62255988 62255988 62255988 62255988
6.
σ
Mn
N/mm
140.3592 140.3592 140.3592 201.6336 201.6336 201.6336 126.668 174.6561 211.6113
DAFTAR PUSTAKA [1]
3.Analisa Defleksi a. Model defleksi klasik
∆=
PL3 48 EI
b. Model analisa castellated beam
Tabel 6.3Defleksi Rumus Empiris dan FEA f
f,s,i
f
defleksi biasa
analisis rayt
FEA
( mm )
( mm )
( mm )
( mm )
( mm )
web solid
3048
15.82379726
-
19.374
12.70
A-1
3500
7.928461901
3.293063932
5.86
14.58
A-2
1750
1.189269285
3.293063932
3.64
7.29
A-3
3048
5.236362434
3.293063932
9.81
12.70
B-1
1750
1.423707847
1.245536476
3.47
7.29
B-2
3048
9.026780179
1.245536476
4.6
12.70
B-3
3500
13.66759533
1.245536476
6.81
14.58
G-1
3048
5.670703404
1.163990902
4.33
12.70
G-2
3048
7.819046994
0.294171197
4.13
12.70
G-3
3048
7.894553473
0.129187787
7.63
12.70
Sampel
L
castellated. Semakin besar sudut potongan maka semakin banyak jumlah potongan kastelasinya . Dari hasil Analisa FEA disimpulkan bahwa hexagonal castellated beam yang paling ideal mampu menahan beban ultimit terbesar 180 kN dan menghasilkan defleksi terkecil sebesar 4.13 mm adalah profil kastelasi yang memiliki sudut potongan 55o dan jarak las 34.9 mm. Jarak las antar lubang kastellasi ( n ) mempengaruhi mode kegagalan atau keruntuhan yang terjadi, apabila terlalu panjang mengakibatkan kegagalan vierendel sedangkan bila terlalu pendek menyebabkan kegagalan flexural atau geser horisontal Pada analisa program FEA membuktikan teori bahwa penampang baja yang mengalami leleh akan menghasilkan lendutan yang semakin besar . Sampel ( A dan B ) pada program FEA membuktikan bahwa efek vierendel mechanism,terjadi pada bagian tee section dimana pada titik tersebut leleh lebih dulu sedangkan pada sampel ( G1 G2 G3 ) membuktikan efek flexural mechanism terjadi pada ujung geometris yang dekat dengan jarak las dimana pada titik tersebut leleh lebih dulu Untuk rumus empiris defleksi castellated beam penelitian Raftoyiannis dan Ioannidis perlu dilakukan analisa lebih lanjut dimana nilai lendutan yang dihasilkan sangat kecil bila dibandingkan dengan hasil program finite element analysis
f ijin
VII. KESIMPULAN DAN SARAN Berdasarkan hasil analisa dari program Finite Element Analysis dan rumus empirisdapat disimpulkan bahwa : 1. Sudut potongan mempengaruhi jumlah proses pemotongan atau jumlah panel ( N ) pada balok
American Institute of Steel Construction ( AISC ).”Steel and Composite Beams with Web Openings”, USA, 2003 [2] American Society of Civil Engineers ( ASCE ).” Proposed Specification For Structural Steel Beams With Web Opening”,USA,1992 [3] Bedi, Miss Komal S., and Mr.P.D.Pachpor,"Moment and Shear Analysis of Beam with Different Web Openings ,"International Journal of Engineering Research and Application, Vol. 1, Issue 4, pp.1917-1921. [4] Bradley,” Effect the Angle of Castellated Beam” s ,"International Journal of Engineering Research and Application, Vol. 3, Issue 4, pp.2007. [5] Gandomi, Amir Hossein, Tabatabaei, Seyed Morteza, Moradian, Mohammad Hossein, Radfar ,Ata and Alavi, Amir Hossein, "A new prediction model for the load capacity of castellated steel beams " Journal of Constructional Steel Research, 2011 [6] Halleux, P. "Limit Analysis ofCastellated Steel Beams," Acier-StahlSteel, No. 3, 1967 [7] Hosain, M. U., and Speirs, W. G., "Experiments on Castellated Steel Beam." Welding Research Supplement, NewYork, August , 1973 [8] J, Sabarish and V.Biju, "Web Buckling of Castellated Beam" , Trivandrum : Department of Civil Engineering College of Engineering Trivandrum [9] SNI 03-1729-2002, “ Tata CaraPerencanaaan Struktur Baja Untuk Bangunan Gedung “, Bandung: Badan Standardisasi Nasional. [10] Wakchaure, M. R. and Sagade, A.V., "Finite Element Analysis of Castellated Steel Beam." International Journal of Engineering and Innovative Technology, Vol. 2,Issue 1 ,July , 2012 [11] Wakchaure, M. R. ,Sagade, A.V. and V.A. Auti, "Parametric Study of Castellated Beam with Varying Depth of Web Opening." International Journal of Engineering and Innovative Technology, Vol. 2,Issue 8 , August, 2012
