ANALISA TEKUK LATERAL PADA BALOK CRANE BAJA I DENGAN PERHITUNGAN MANUAL DAN ABAQUS
ARVAN P. SIAGIAN 08 0404 067
Pembimbing
Ir. Torang Sitorus , MT NIP: 19571002 198601 1 001
BIDANG STUDI STRUKTUR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2015
i Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK Bahan konstruksi baja pada umumnya berpenampang langsing dan berdinding tipis, itulah sebabnya masalah yang paling rentan terjadi pada konstruksi baja adalah tekuk, baik tekuk lokal maupun tekuk lateral. Tekuk lateral merupakan suatu bentuk kegagalan yang diakibatkan oleh ketidakstabilan suatu elemen struktur yang mengakibatkan terjadinya deformasi ke arah lateral/samping ke luar bidang pembebanan yang dipengaruhi aksi beban. Tugas akhir ini menganalisa tekuk lateral yang terjadi pada balok crane baja I dengan perletakan sederhana dan pembebanan diberikan pada flens bawah disebabkan pembebanan pada flens bawah memberikan kapasitas beban yang lebih besar dibandingkan pembebanan yang dilakukan pada pusat geser maupun flens atas dari profil. Profil yang digunakan sebagai balok crane yaitu profil IWF 200x100x5,5x8 ; profil IWF 400x200x8x13 ; dan profil IWF 600x300x12x17 dengan panjang bentang masingmasing 4m, 8m, dan 12m. Penganalisaan dilakukan dengan menggunakan metode energi Trahair dan juga dengan menggunakan software berbasis metode elemen hingga yaitu Abaqus 6.10. Dari hasil analisa perhitungan dengan metode Trahair dan dengan menggunakan program Abaqus, diperoleh persentase selisih pada profil IWF 200x100x5,5x8 adalah 2,04% untuk bentang 4m, 10,38% untuk bentang 8m, dan 8,56% untuk bentang 12m; pada profil IWF 400x200x8x13 adalah 2,77% untuk bentang 4m, 1,81% untuk bentang 8m, dan -1,97% untuk bentang 12m; dan untuk profil IWF 600x300x12x17 adalah 4,10% untuk bentang 4m, 2,23% untuk bentang 8m, dan 5,91% untuk bentang 12m. Kata kunci : balok crane baja I, beban kritis, tekuk lateral, Abaqus
i Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa, yang telah memberikan berkat dan kasih karuniaNya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian dan menyusun bahan seminar ini dengan judul “ANALISA TEKUK LATERAL PADA BALOK CRANE BAJA I DENGAN PERHITUNGAN MANUAL DAN ABAQUS“ Tugas akhir ini disusun untuk diajukan sebagai salah satu syarat yang harus dipenuhi dalam Ujian Sarjana Teknik Sipil Bidang Studi Struktur pada Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak terdapat kekurangan. Hal ini disebabkan keterbatasan pengetahuan dan kurangnya pemahaman penulis. Dengan tangan terbuka dan hati yang tulus penulis menerima segala saran dan kritik dari bapak dan ibu dosen serta rekan mahasiswa demi penyempurnaan Tugas Akhir ini. Penulis juga menyadari bahwa selesainya tugas akhir ini tidak lepas dari bimbingan, dukungan, dan bantuan dari semua pihak. Untuk itu, pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang sudah membantu penulis dalam pengerjaan tugas akhir ini, terutama kepada kedua orang tua penulis yang selama ini selalu memberikan dukungan dan berjuang sehingga penulis dapat menyelesaikan perkuliahan ini. Pada kesempatan ini, penulis juga tidak lupa menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak Prof. DR. Ing. Johannes Taringan, selaku Ketua Departemen Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara. 2. Bapak Ir. Syahrizal, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara.
ii Universitas Sumatera Utara
3. Bapak Ir. Torang Sitorus, MT, selaku pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu, tenaga, dan pikiran dalam memberikan bimbingan yang tiada hentinya kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 4. Bapak/Ibu Dosen staff pengajar Jurusan Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara. 5. Kedua Orang Tua penulis, Papa E. Siagian dan Mama S. Hutagaol yang senantiasa memberikan dukungan moral maupun finansial serta doa kepada penulis. 6. Kedua adik penulis, Chandra dan Kartika yang juga turut serta dalam memberikan semangat. 7. Pegawai Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 8. Teman-teman stambuk’08 Mutiara, Junmiflin, Jaya, Arthur, Moy, Boy, Hafiz, Henry, Coy, Rahmad, Ivan, Elis, Ibnu, David Uli, David Bebek, Bg Nuel ELTC, Mimi, Midian, Sara, serta teman-teman yang tidak dapat disebutkan satu persatu, serta senior-senior dan adik-adik junior yang juga banyak memberikan info maupun dukungan.
Medan,
Oktober 2015
Penulis,
ARVAN PIRES SIAGIAN
iii Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
ABSTRAK
i
KATA PENGANTAR
ii
DAFTAR ISI
iv
DAFTAR TABEL
vii
DAFTAR GAMBAR
viii
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang
1
1.2. Rumusan Masalah
2
1.3. Tujuan Penulisan
3
1.4. Pembatasan Masalah
3
1.5. Manfaat Penelitian
4
1.6. Metodologi
4
1.7. Sistematika Penulisan
5
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Baja
6
2.1.1. Pendahuluan
6
2.1.2. Sifat Baja
7
2.1.3. Profil Baja
11
2.2. Balok
13
2.2.1. Pendahuluan
13
2.2.2. Balok Sederhana
14
2.2.3. Tekuk Lateral Pada Balok
15
2.2.4. Beban Tengah Terpusat
16
2.2.5. Pengaruh Kondisi Pembebanan
21
2.2.6. Perilaku Balok Tanpa Kekangan Lateral
21
2.2.7. Kekuatan Balok Akibat Beban Momen Murni
22
iv Universitas Sumatera Utara
2.3. Konsep Teori Stabilitas Struktur
26
2.4. Teori Umum Lentur
28
2.4.1. Lentur Dalam Bidang YZ
29
2.4.2. Lentur Dalam Bidang XZ
30
2.4.3. Lentur Di Luar Bidang XZ dan YZ
30
2.5. Torsi
32
2.5.1. Pendahuluan
32
2.5.2. Torsi Murni Pada Penampang Homogen
32
2.5.3. Tegangan Puntir Pada Profil I
37
2.5.3.1. Torsi Murni (Saint-Venant’s Torsion)
37
2.5.3.2. Torsi Terpilin (Warping)
38
2.6. Keran Angkat (Crane)
39
2.6.1. Pendahuluan
39
2.6.2. Jenis-Jenis Keran Angkat
40
2.6.2.1. Monorail
40
2.6.2.2. Bridge Crane
41
2.6.2.3. Gantry Crane
41
2.6.2.4. Jib Crane
42
2.7. Metode Energi
43
2.7.1. Pendahuluan
43
2.7.2. Energi Regangan
44
2.7.3. Energi Potensial
47
BAB 3 METODE PENELITIAN 3.1. Pendahuluan
50
3.2. Identifikasi Masalah
51
3.3. Tekuk Torsi Lateral Balok Crane Baja I
52
3.4. Program Abaqus
55
3.4.1. Pengenalan terhadap Abaqus CAE
56
3.4.2. Analisa Tekuk Lateral pada Program Abaqus
58
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Perhitungan Analitis 4.1.1. Analisis Balok Profil I
61 62
v Universitas Sumatera Utara
4.1.1.1. Properties Penampang Profil IWF 200x100x5,5x8
62
4.1.1.2. Properties Penampang Profil IWF 400x200x8x13
63
4.1.1.3. Properties Penampang Profil IWF 600x300x12x17
65
4.1.2. Beban Kritis
66
4.1.2.1. Analisa Profil 200x100x5,5x8
67
4.1.2.2. Analisa Profil 400x200x8x13
69
4.1.2.3. Analisa Profil 600x300x12x17
72
4.2. Analisa Dengan Program Abaqus
75
4.2.1. Pembuatan Part
75
4.2.2. Pembuatan Dan Pengaplikasian Material
76
4.2.3. Pembentukan Geometri Model
78
4.2.4. Pembentukan Mesh
78
4.2.5. Pembuatan Boundary Condition
80
4.2.6. Analisa Dengan Metode Eigenvalue
81
4.2.7. Hasil Analisa Dengan Program Abaqus
84
4.2.7.1. Profil 200x100x5,5x8
84
4.2.7.2. Profil 400x200x8x13
85
4.2.7.3. Profil 600x300x12x17
87
4.3. Perbandingan Beban Kritis Secara Teoritis Dan Abaqus
89
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1.
Kesimpulan
91
5.2.
Saran
92
DAFTAR PUSTAKA
xi
LAMPIRAN
vi Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
BAB II Tabel 2.1
Tegangan Leleh dan Kuat Tarik Batas ....................................................................... 7
Tabel 2.2
Nilai Cb untuk Berbagai Kasus Pembebanan yang Berbeda ........................................ 26
Tabel 2.3
Harga k1 dan k2 untuk persamaan 2.52 dan 2.53 ......................................................... 36
BAB IV Tabel 4.1
Momen Kritis dengan Metode Trahair ...................................................................... 72
Tabel 4.2
Beban Kritis dengan Metode Trahair .................................................................... 72
Tabel 4.3
Nilai Beban Kritis dengan Menggunakan Abaqus ................................................ 88
Tabel 4.4
Perbandingan Pcr secara Teoritis dan dengan Program Abaqus .......................... 89
vii Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
BAB I Gambar 1.1
Sistem Top-Running ......................................................................................... 2
Gambar 1.2
Sistem Bottom-Running .................................................................................... 2
BAB II Gambar 2.1
Kurva Hubungan Tegangan (f) dan Regangan (ε) ........................................... 9
Gambar 2.2
Bagian Kurva Tegangan-Regangan yang Diperbesar ...................................... 10
Gambar 2.3
Profil Baja ........................................................................................................ 12
Gambar 2.4
Balok dengan perletakan sederhana ................................................................. 14
Gambar 2.5
Tekuk Torsi lateral pada balok ......................................................................... 15
Gambar 2.6
Balok dengan Perletakan Sederhana dengan Pembebanan di Tengah Bentang ........................................................................................... 17
Gambar 2.7 Tekuk Lateral pada Balok dengan Perletakan Sederhana dengan Pembebanan di Tengah Bentang ........................................................................................... 18 Gambar 2.8
Perbandingan Nilai Teoritis dan Nilai Pendekatan (Beban Terpusat) ............. 20
Gambar 2.9
Kuat Momen Nominal akibat beban 𝐿𝑏 ................................................................ 23
Gambar 2.10 Bidang Momen pada 1 4 , 1 2 , dan 3 4 bentang ................................................ 25 Gambar 2.11 Tiga Kondisi Keseimbangan Statis .................................................................. 27 Gambar 2.12 Balok Prismatis Dengan Lentur Murni ............................................................ 28 Gambar 2.13 Free Body balok pada potongan berjarak z ...................................................... 29 Gambar 2.14 Torsi Pada Batang Pejal ................................................................................... 33 Gambar 2.15 Penampang Lingkaran ...................................................................................... 34 Gambar 2.16 Torsi pada Penampang Persegi ........................................................................ 35 Gambar 2.17 Penampang dengan Beban Torsi ...................................................................... 37
viii Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.18 Torsi pada Profil I ............................................................................................ 38 Gambar 2.19 Monorail Crane ................................................................................................ 40 Gambar 2.20 Bridge Crane .................................................................................................... 41 Gambar 2.21 Gantry Crane .................................................................................................... 42 Gambar 2.22 Jib Crane........................................................................................................... 43 Gambar 2.23 Energi Regangan Oleh Beban Gaya P.............................................................. 44 Gambar 2.24 Energi Regangan oleh Beban Aksial ................................................................ 45 Gambar 2.25 Energi Regangan oleh Beban Momen Lentur .................................................. 45 Gambar 2.26 Pergeseran Batang karena Melentur ................................................................. 47 Gambar 2.27 Balok Melentur karena Beban Tunggal ........................................................... 48 Gambar 2.28 Balok Melentur karena Beban Merata ............................................................. 48
BAB III Gambar 3.1
Pemodelan dengan Finite Element Method ..................................................... 49
Gambar 3.2
Jarak Roda Hoist Rencana................................................................................ 52
Gambar 3.3
Tipe Balok Monorail ........................................................................................ 53
Gambar 3.4
Tampilan Program Abaqus/CAE 6.10 ............................................................. 55
Gambar 3.5
Tahap-tahap menjalankan Abaqus ................................................................... 57
Gambar 3.6
Diagram Alir Metodologi Penelitian..................................................................... 60
BAB IV Gambar 4.1
Balok Crane Baja I Dengan Crane Berada Di Tengah Balok .......................... 61
Gambar 4.2
Langkah Awal Pembuatan Part ........................................................................ 75
Gambar 4.3
Gambar Penampang Balok ............................................................................... 76
Gambar 4.4
Gambar Part Balok ........................................................................................... 76
Gambar 4.5
Pembuatan Material.......................................................................................... 77 ix Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.6
Pembuatan Section dan Pengaplikasian Material............................................. 77
Gambar 4.7
Instance Part Balok........................................................................................... 78
Gambar 4.8
Pembuatan dan Pengaturan Elemen/Mesh pada Instance ................................ 79
Gambar 4.9
Mesh pada Instance Balok................................................................................ 79
Gambar 4.10 Pembuatan Boundary Condition Sendi/Roll .................................................... 80 Gambar 4.11 Pembuatan Boundary Condition Pengaku Lateral ........................................... 81 Gambar 4.12 Boundary Condition pada Model ..................................................................... 81 Gambar 4.13 Pembuatan Step pada Metode Eigenvalue ....................................................... 82 Gambar 4.14 Pemberian Beban.............................................................................................. 82 Gambar 4.15 Pembuatan dan Pemonitoran Job ..................................................................... 82 Gambar 4.16 Output Abaqus.................................................................................................. 83 Gambar 4.17 Grafik Perbandingan Pcr Profil 200x100x5,5x8 .............................................. 89 Gambar 4.18 Grafik Perbandingan Pcr Profil 400x200x8x13 ............................................... 90 Gambar 4.19 Grafik Perbandingan Pcr Profil 600x300x12x17 ............................................. 90
x Universitas Sumatera Utara
