BAB III KAJIAN EKSPERIMENTAL
Berikut ini akan diuraikan kajian dalam perencanaan program eksperimental yang dilaksanakan mencakup :
III.1. Studi Kasus
Kasus yang ditinjau dalam perencanaan link ini adalah untuk keperluan bangunan ruko 3 lantai yang berlokasi di kota Bandung (Zona 3). Proses ini dilaksanakan dengan tujuan supaya link yang akan di uji dalam eksperimen nantinya merupakan representasi realitas suatu komponen struktur yang benar-benar bisa diaplikasikan di lapangan.
Bentuk struktur yang di desain dengan bantuan software ETABS V.9 dalam pemodelan strukturnya adalah seperti Gambar III.1 dibawah, struktur tersebut terdiri dari tiga bentang selebar masing-masing 5 m dalam arah X dan Y menggunakan sistem Struktur Rangka Baja Eksentrik tipe split K sebagai konstruksi pemikul beban gaya inersia akibat gempa. 450 mm
3.5 450 mm
3.5 450 mm
3.5
5m
(a)
5m
5m
(b)
Gambar III.1 Model struktur ruko 3 lantai : (a) Model 3D (b) Model 2D
39
Proses disain dilakukan dengan membuat program menggunakan software MathCad R.13 yang berpedoman kepada sejumlah peraturan sebagai berikut : Ö Tata Cara Perencanaan Struktur Tahan Gempa. Ö Specification for Structural Steel Building AISC 360-05. Ö Seismic Provision for Structural Steel Building AISC 341-05.
Disain penampang profil link dan elemen sambungan pada tahap awal dilakukan berdasarkan mutu baja rencana BJ-41 (A.36), skenario ini diperlihatkan dalam lampiran A.1. Perhitungan kemudian di koreksi lagi berdasarkan mutu baja hasil uji kupon khususnya untuk analisis kapasitas penampang link dan disain elemen sambungan, skenario ini ditampilkan dalam lampiran A.2. Adapun data properti yang didapatkan untuk elemen link struktur ruko tersebut adalah sebagai berikut : Ö Panjang link = 450 mm. Ö Dimensi link WF 200x100x5.5x8. Ö Pelat ujung tebal=30 mm dimensi 150 mm x 200 mm. Ö Intermediate stiffener t=10 mm. Ö Baut A490 ∅ 25 mm sebanyak 6 buah pada tiap sisi.
III.2. Pemodelan Spesimen
Hasil yang diperoleh dari tahap disain akan dijadikan model untuk spesimen benda uji di laboratorium, jumlah spesimen yang dibuat sebanyak 2 benda uji dengan variasi yang diberikan berupa pemberian Side Extended Plate (SEP) dan tanpa SEP pada sisi samping pelat sayap dengan pelat ujung menggunakan sambungan las. Ilustrasi dari kedua model tersebut seperti terlihat dalam Gambar III.2.
Dasar pemikiran dalam penambahan SEP adalah untuk melakukan penundaan (delay) kegagalan struktur dalam proses pencapaian beban ultimit tanpa adanya terjadi perubahan perilaku yang signifikan dalam menerima beban siklik. Karena lebar pelat sayap WF yang lebih kecil daripada lebar pelat ujung untuk mengakomodir ukuran baut maka sudah pasti tegangan tarik akan terkonsentrasi total pada seluruh pelat sayap.
40
Prediksi awal jika terbentuk konsentrasi tegangan pada pelat sayap maka keruntuhan akan terjadi pada material pelat sayap di daerah sambungan las pelat sayap-pelat ujung tersebut, asalkan baut masih belum mengalami kegagalan. Jika tegangan tadi dapat lebih disebarkan ke dalam areal yang lebih luas tentunya dengan ukuran tebal las yang sama tegangan tadi akan menjadi lebih kecil pada saat besaran beban yang sama. Konsekuensinya kapasitas ultimit penampang link dapat lebih maksimal ditingkatkan dengan harapan kegagalan material tidak hanya terjadi pada las pelat sayap–pelat ujung namun juga pada pelat badan profil WF link. Ilustrasi penjelasan ini dapat dilihat pada Gambar III.3 dibawah.
Dengan penambahan SEP maka akan terjadi mekanisme penyebaran tegangan pada sambungan las pelat sayap dengan pelat ujung. SEP pada sisi kiri dan kanan pelat sayap akan memperluas daerah yang memikul beban tekan dan tarik
150
150
450
75
75 97.5
97.5
97.5
97.5
97.5
30
200
60 60
40
40
60
200
60
40
40
450
100
30
97.5
97.5
97.5
30
100
30
SEP 30 97.5
30 97.5
97.5
450
(a)
97.5
SEP
30 97.5
30 97.5
97.5
97.5
450
(b)
Gambar III.2 Spesimen link : (a) Tanpa side extended plate (b) Dengan side extended plate
41
P L2 ⋅ t
σ2 =
σ1 =
P L1 ⋅ t
P
L1
P
L2
(a)
(b)
Gambar III.3 Tegangan pada pelat sayap (tampak atas) : (a) Tanpa side extended (b) Dengan side extended
Secara garis besar data properti material dari kedua spesimen tersebut adalah sebagai berikut :
a.
Spesimen Tabel III.1. Data properti spesimen
Posisi Properti
Rencana Awal
Hasil Uji Kupon
Pelat sayap
Pelat
Pelat
/Pelat badan
sayap
badan
Tegangan Leleh (MPa)
250
490
516
Tegangan Ultimit (MPa)
410
621
635
Modulus Elastisitas (MPa)
200.000
220.000
220.000
Tinggi WF (mm)
200
200
Lebar WF (mm)
100
100
Tebal Pelat sayap (mm)
8
7.8
Tebal Pelat badan (mm)
5.5
5.6
42
b.
Baut Tabel III.2. Data properti baut
c.
Properti
Rencana Awal
Mutu
A490
Tegangan Tarik Nominal (MPa)
780
Tegangan Geser Nominal (MPa)
520
Diameter baut (mm)
25
Panjang total (mm)
100
Panjang Ulir (mm)
50
Pelat ujung Tabel III.3. Data properti pelat ujung
Properti
Rencana Awal
Hasil Uji Kupon
Tegangan Leleh (MPa)
250
380
Tegangan Ultimit (MPa)
410
595
Modulus Elastisitas (MPa)
200.000
200.000
Tinggi Pelat Ujung (mm)
200
Lebar Pelat Ujung (mm)
150
Tebal Pelat Ujung (mm)
30
III.3. Setup dan Instrumentasi
a.
Setup Spesimen.
Setup pada dasarnya disusun dengan tujuan untuk mensimulasikan perilaku spesimen sedekat mungkin dengan perilaku struktur aslinya. Peralatan dan setup yang dibuat disesuaikan dengan sumber daya yang tersedia di Laboratorium Kelompok Riset Struktur Bangunan, Pusat Rekayasa Industri - ITB.
43
300
1350
100 150
Ke Actuator
120
Support Type I
100
305
Rol
510
180 30
2050
600
Link
390 40 30
30
845
FRAME II
FRAME I
50
1050
180
270
385
Skor Baru
65
250
180
1500
500
500
500
500
500
500
500
500
500
500
Gambar III.4. Setup spesimen dan loading frame
Ilustrasi dari setup yang digunakan dapat dilihat pada Gambar III.4 diatas, pada gambar tersebut frame yang dipergunakan menggunakan tipe open frame. Tipe ini berarti mekanisme penyaluran gaya yang berkerja pada spesimen langsung ke strong floor dengan melalui media frame tersebut terlebih dahulu. Adapun bagian-bagian setup ini dapat dibagi atas beberapa bagian yaitu : 9
Frame I Frame ini sudah tersedia di laboratorium, berfungsi sebagai penyalur gaya dari spesimen melalui support langsung ke strong floor. Mekanisme penyaluran gaya dari frame 1 ke strong floor melewati baut angkur dengan diameter 32mm.
9
Frame II Frame ini berfungsi sebagai rel dari tumpuan rol. Dengan adanya frame ini tumpuan rol dapat bergerak secara leluasa dalam arah vertikal (atas-bawah) namun dibatasi atau dikekang dalam arah horizontal. Tujuan dari mekanisme ini adalah untuk menghindari adanya efek tarikan dan tekanan yang berlebihan dalam arah aksial terhadap spesimen. Disamping itu frame ini dapat mencegah
44
efek tekuk dalam arah tegak lurus bidang gambar, hal ini disebabkan tumpuan rol diapit oleh 2 batang vertikal WF dari frame II tersebut. 9
Support Support dibutuhkan sebagai elemen penghubung antara spesimen dengan frame I, hal ini dikarenakan formasi baut pada frame I sudah tetap dan tidak dapat diubah lagi sehingga spesimen tidak bisa langsung di tempatkan pada frame I. Faktor lainnya dikarenakan spasi baut angkur ke strong floor yang membatasi pergerakan frame I sehingga perlu adanya elemen penghubung pada spesimen untuk mencapai posisi aktuator.
9
Actuator Extended Elemen ini dibutuhkan karena spesimen link menggunakan baut dalam arah horizontal, sedangkan pada piston aktuator posisi lubang baut hanya tersedia dalam arah vertikal. Untuk mengakomodir kebutuhan tersebut perlu dibuat elemen bantu sebagai penghubung langsung dari aktuator ke link
9
Tumpuan Rol Mekanisme tumpuan rol dibuat untuk menjaga stabilitas spesimen supaya tidak mengalami gaya aksial (tekan-tarik) yang berlebihan serta tidak mengalami tekuk dalam arah tegak lurus bidang gambar.
9
Aktuator dan Main Loading Frame Fungsi dari aktuator adalah untuk memberikan beban maupun deformasi pada spesimen yang diuji, hal ini tergantung dari jenis pengujian yang dilakukan apakah menggunakan kontrol beban atau kontrol perpindahan. Aktuator yang dipakai berkapasitas 1000 kN dengan stroke maksimum 200 mm. Dengan diberlakukannya pembebanan siklik pada spesimen maka stroke dibagi 2 untuk arah vertikal ke atas dan ke bawah masing-masing 100 mm.
45
9
Univeral Testing Machine (UTM) Dartec menjadi merk UTM yang tersedia di laboratorium, adapun kapasitas yang dimilikinya sebesar 1500 kN. UTM ini dipergunakan untuk melaksanakan uji kupon (coupon test) material pelat sayap, pelat badan dan pelat ujung pada spesimen.
b.
Instrumentasi Spesimen.
Instrumentasi pada spesimen ini bertujuan untuk mengamati perilaku berupa perpindahan elemen pada posisi-posisi tertentu yang dianggap kritis. Disamping itu perilaku regangan-regangan yang terjadi pada sejumlah posisi level titik dalam elemen juga perlu diamati sebagai indikator terjadinya mekanisme kelelehan (yielding). Beberapa instrumen yang digunakan untuk kepentingan ini adalah : 9
Linear Voltage Displacement Transducer (LVDT) Instrumen ini merupakan alat yang dipergunakan untuk melakukan pengukuran perpindahan maupun perpanjangan (elongation) bagian-bagian tertentu dari spesimen sepanjang sejarah pembebanannya. Hasil pengukuran dari LVDT ini dibaca dan disimpan dengan menggunakan perangkat data logger. Dalam penelitian ini dipergunakan LVDT dengan kapasitas 200 mm untuk pengukuran perpindahan dalam rentang yang besar (defleksi vertikal aktuator-spesimen dan pergerakan frame), sedangkan LVDT dengan kapasitas 100 mm dipergunakan untuk mengukur perpanjangan atau defleksi yang terjadi pada baut dan ujung pelat ujung yang diprediksikan mempunyai nilai lebih kecil.
19 14 16
18
15 8 7
17
9
Gambar III.5. Instrumentasi LVDT pada spesimen
46
Susunan LVDT ini dapat dilihat pada ilustrasi Gambar III.5 diatas. Penomoran yang diberikan pada LVDT mengikuti penomoran yang juga diberikan pada komponen strain gauge dengan menempelkan kertas berlapiskan selotip pada masing-masing kabelnya. Dengan demikian pembacaan yang ada pada data logger dapat lebih rapi dan terstruktur dengan baik.
LVDT dengan nomor 7 dan 8 di tempatkan untuk mengukur perpindahan aktuator-spesimen dalam arah vertikal, disamping itu hasilnya juga bisa menampilkan besaran pergerakan relatif spesimen terhadap actuator extended akibat adanya dimensi lobang baut yang lebih besar jika dibandingkan dengan diameter bautnya. Pergerakan relatif ini diperoleh dari selisih bacaan kedua LVDT tersebut. Hal yang sama juga diterapkan pada LVDT dengan nomor 9 dan 19.
LVDT nomor 14 dan 15 bertujuan untuk memonitor seberapa besar lendutan / defleksi yang terjadi dalam sejarah pembebanan pada sisi atas-bawah pelat ujung. Dengan demikian dapat di amati fenomena kinking yang mungkin terjadi, serta dapat juga dianalisa perilaku pelat ujung yang ada dalam kontribusinya terhadap proses disipasi energi secara elastik maupun plastik. Sedangkan LVDT nomor 18 ditempatkan dengan tujuan memonitor apakah terjadi tekuk elastik pada pelat support, dengan demikian dapat diketahui defleksi relatif yang ada dari pelat ujung.
Untuk mengamati perilaku yang terjadi pada baut, terutama baut yang mendapat beban kritis (baut atas-bawah) maka ditempatkan LVDT nomor 16. Dengan demikian proses deformasi aksial (elongasi) baut baik elastik atau plastik dalam sejarah pembebanannya dapat diketahui. Sedangkan untuk memonitor pergerakan frame 1 dalam arah vertikal sewaktu mengalami gaya tarik (ke atas) ditempatkan LVDT dengan nomor 17. Dengan adanya LVDT nomor 17 ini maka deformasi vertikal spesimen secara relatif dapat ditetapkan dengan menghitung selisihnya terhadap LVDT nomor 8.
47
9
Strain Gauge (Rosette dan Uniaxial) Strain gauge dipergunakan untuk mengamati perilaku regangan dalam level titik di suatu posisi pada spesimen. Sesuai dengan fungsi regangan yang akan diamati maka dipergunakan 2 jenis strain gauge yang berbeda. Yang pertama jenis rosette post yield, berfungsi untuk memonitor regangan geser yang terjadi mulai dari zona elastik sampai zona plastik (inelastik). Rosette ini ditempatkan pada panel pinggir (kiri-kanan) pelat badan profil WF spesimen, hal ini dikarenakan berdasarkan analisa elastik yang dilakukan prediksi leleh pertama elemen terjadi pada posisi tersebut. Pada ilustrasi Gambar III.6 dibawah setiap kaki rosette yang terhubung ke data logger dinomori dengan urutan 1 sampai dengan 6.
Jenis yang kedua adalah uniaxial strain gauge post yield, berfungsi untuk memonitor regangan yang terjadi mulai dari zona elastik sampai plastik cuma dalam arah sejajar dengan arah strain gauge yang bersangkutan. Uniaxial strain gauge ini ditempatkan pada pusat (garis tengah) sisi atas dan bawah pelat sayap bagian tepi spesimen, hal ini dikarenakan pelat sayap mengalami perilaku dominan tarik dalam posisi tersebut dan arahnya sejajar spesimen sesuai dengan analisa elastik yang dilakukan. Penomoran uniaxial strain gauge ini mulai dari urutan 10 sampai dengan 13 seperti yang terlihat pada Gambar III.6. 11
10 Ke Actuator
Tarik (atas)
4
1 2
5 3
13
6
Tekan (bawah) 12
Gambar III.6 Instrumentasi Strain Gauge (Uniaxial + Rosette)
Adapun karakteristik dari strain gauge yang dipakai adalah sebagaimana tercantum pada Tabel III.4 berikut :
48
Tabel III.4. Data properti strain gauge
Tipe Gauge Factor Gauge Lenght Gauge Resistance Adhesive 9
YFLA-5 2.12 5 mm 120 ± 0.3Ω CN
Data Logger Instrumen ini merupakan alat perekam semua hasil pengukuran yang diperoleh dari LVDT dan strain gauge pada spesimen. Jenis data logger yang dipergunakan adalah TDS-302. Pada alat ini penomoran yang diberikan di setiap kabel LVDT dan strain gauge disesuaikan dengan input nomor channel yang ada.
III.4. Uji Tarik Kupon
Uji tarik kupon dilakukan sebelum percobaan atau eksperimen terhadap spesimen dilaksanakan. Tujuan dari uji tarik ini adalah untuk memperoleh parameterparameter material baja yang dipakai pada setiap bagian elemen seperti pada bagian pelat badan, pelat sayap dan pelat ujung. Sejumlah parameter yang bisa diperoleh dari uji ini adalah besaran tegangan leleh (fy-MPa), tegangan ultimit (fu-MPa) dan modulus elastisitas (Es-MPa). Dengan didapatkannya parameter fy maka dalam pelaksanaan percobaan bisa di prediksi kondisi terjadinya leleh pertama pada spesimen. Kondisi ini diwakili dengan ditentukannya saat beban leleh atau perpindahan aktuator leleh pertama terjadi. Dengan diketahuinya perpindahan aktuator leleh maka besaran amplitudo setiap siklus protokol pembebanan dengan kontrol perpindahan yang akan diberikan bisa ditentukan sejak awal dan lamanya percobaan berjalan bisa diperkirakan.
49
Pada eksperimen ini peraturan yang dipakai dalam prosedural uji kupon mengikuti standar JIS Z 2201 tentang Test Pieces for Tensile Test for Metallic Materials. JIS Z 2241 tentang Method of Tensile Test for Metallic Materials dan JIS G 3101 tentang Rolled Steels for General Structure.
Peralatan uji tarik yang dipakai adalah UTM merk Dartec berkapasitas 1500 kN. Adapun peralatan tambahan yang dipakai adalah ekstensiometer yang berguna untuk menentukan modulus elastisitas, alat ini mempunyai kaki pengukur selebar 50 mm. Kaki pengukur tadi akan bergerak saling berjauhan dengan tertariknya material, sehingga besarnya perpanjangan (ΔL) dapat ditentukan untuk menentukan regangan dalam zona kondisi elastik.
(a)
(b)
Gambar III.7 Uji tarik kupon : (a) Proses pengujian (b) Benda uji (kupon)
III.5. Pelaksanaan Pengujian Spesimen
Pengujian dilakukan setelah setup dan instrumentasi selesai di pasang dan diuji coba keakuratannya. Uji coba dilaksanakan dalam rentang kondisi elastik sebanyak beberapa siklus secara siklik. Salah satu tujuan uji coba ini selain untuk mengetahui tingkat kesiapan kerja dan kepresisian semua perangkat instrumentasi yang ada juga untuk mengetahui sempurnanya kekakuan baut spesimen dan frame yang terpasang serta untuk menentukan titik leleh pertama spesimen (first yield).
50
Penentuan nilai perpindahan aktuator yang mewakili kondisi leleh pertama pada spesimen tidak dilakukan berdasarkan analisa numerik maupun analitik, hal ini dikarenakan seringkali perpindahan leleh yang diasumsikan melalui perhitungan numerik mempunyai nilai yang berbeda jauh dengan hasil yang didapatkan dalam percobaan. Oleh karena itu dalam penentuan besaran perpindahan leleh (1.δy) dicari melalui metode interpolasi atau ekstrapolasi data hasil pengujian spesimen dalam zona elastik (Gambar III.8).
Pada tahap uji spesimen dalam rentang zona elastik siklus perpindahan yang diberikan bernilai kecil, sebagai contoh misalnya sebesar 2mm. Pada nilai ini dilakukan analisa data dengan menggunakan rumus II.24 sampai dengan rumus II.26 untuk menghitung nilai tegangan Von Misses berdasarkan data masukan rosette.
Nilai yang didapatkan dibandingkan dengan nilai tegangan leleh hasil dari uji kupon yang sebesar 516 MPa, jika nilai yang didapatkan lebih kecil maka tentunya spesimen belum mengalami leleh pertama. Karena spesimen masih beperilaku elastik berarti ekstrapolasi linier bisa dilakukan untuk mencari besaran perpindahan leleh yang berpadanan dengan tegangan Von Misses sebesar 516 MPa. Uji coba terus dilakukan dalam beberapa siklus yang besar perpindahannya di atur semakin mendekati prediksi perpindahan leleh hasil dari siklus sebelumnya.
Tegangan Von Misses
Prediksi titik kelelehan
fvmy
fvm1 fvm2
Δ1
Δ2
Δy
Perpindahan Δ (mm)
Gambar III.8 Ekstrapolasi penentuan perpindahan leleh (first yield)
51
Selanjutnya pengujian dilaksanakan dengan menggunakan protokol pembebanan siklik tipe kontrol perpindahan (displacement control). Pembebanan siklik disebut tarik jika aktuator diperpendek ke arah atas dan disebut tekan jika aktuator diperpanjang ke arah bawah (Gambar III.6). Besaran perpindahan aktuator yang di format dalam bentuk dan jumlah siklus tertentu diberikan secara bertahap terhadap spesimen dengan kecepatan pembebanan sebesar 0.02 mm/detik. Pada eksperimen ini siklus perpindahan yang dipakai berturut-turut untuk rentang zona perilaku pasca kelelehan (inelastik) sebesar 1.δy, 2.δy dan seterusnya masing-masing satu siklus dengan peningkatan besaran perpindahan sebesar 1.δy. Siklus dilanjutkan sampai spesimen mengalami kegagalan (mencapai kapasitas ultimit) yang ditandai dengan terjadinya penurunan kapasitas sebesar > 20 %.
Dari percobaan yang dilakukan didapatkan perpindahan leleh untuk kedua spesimen sebesar 8,1 mm. Siklus untuk spesimen 1 sampai sebesar 7.δy mencapai ultimit dan untuk spesimen 2 sampai sebesar 10.δy mencapai ultimit. Ilustrasi dari siklus perpindahan ini dapat dilihat pada grafik Gambar III.9 dibawah : 100
10δy 80
9δy
8δy 7δy
60
Perpindahan Δ (mm)
5δy 40
3δy 0.5δy 1δy 0.25δy 0.75δy
20
6δy
4δy
Tarik
2δy
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
-20
Tekan
-40 -60 -80
Siklus
-100
Gambar III.9 Siklus protokol pembebanan
52
53
