EKSPERIMEN TEKUK P KRITIS PADA CIRCULAR HOLLOW SECTIONS Yelena Hartanti Depari1, Sanci Barus2 Departemen Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara, Jl. Perpustakaan No. 1 Kampus USU Medan Email:
[email protected] 2 Staf Pengajar Departemen Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara, Jl. Perpustakaan No. 1 Kampus USU Medan Email:
[email protected] 1
ABSTRAK Pada konstruksi baja permasalahan yang sangat penting adalah mengenai stabilitas, dikarenakan komponen struktur baja rentan terhadap tekuk akibat pembebanan yang melebihi kapasitasnya sehingga terjadi ketidakstabilan pada struktur baja. Terjadinya fenomena tekuk pada struktur baja disebabkan karena elemen baja pada umumnya sangat tipis, sehingga mudah mengalami tekuk yang akan mengurangi kapasitas dari struktur itu sendiri. Pada permasalahan ini penulis melakukan eksperimen pada Circular Hollow Sections (pipa) diameter 40 mm dan tebal 2 mm ; pada profil siku dengan ukuran 35.35.4 mm, masing-masing dengan panjang 500 mm, yang mengalami pembebanan gaya aksial. Pada kenyataan benda uji tersebut akan mengalami tekuk lentur dan terjadi ketidakstabilan akibat pembebanan gaya aksialnya. Setelah memperoleh data hasil pengujian dan dianalisa, dapat disimpulkan bahwa P kritis yang diperoleh pada perhitungan secara analisa lebih besar daripada yang terjadi saat eksperimen. Kata Kunci : Baja, Tekuk, Beban Kritis On construction of steel, a very important issue is that of stability, because the steel structure components susceptible to buckling due to the imposition of the excess capacity so instability on a steel structure. The occurrence of the phenomenon of buckling in the structure of steel because steel elements are generally very thin, making it prone to buckling which would reduce the capacity of the structure itself. On this issue the author doing experiments on the Circular Hollow Sections (pipe) diameters of 40 mm and a thickness of 2 mm; profile 35.35.4 mm size with elbow, each with a length of 500 mm, which have axial force loading. In fact the test object will experience buckling instability occurs due to bending and loading the style aksialnya. After obtaining the data and analyzed the test results, it can be concluded that P was critical in the calculation in the analysis of larger than occurred during the experiments Key Words: Steel, Buckling, Critical Load 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Baja adalah salah satu bahan kontruksi yang paling penting, sifat-sifatnya yang terutama dalam penggunaan konstruksi adalah kekuatannya yang tinggi dan sifat yang keliatannya. Keliatan ( ductility ) adalah kemampuan untuk berdeformasi secara nyata baik dalam tegangan maupun dalam kompresi sebelum terjadi kegagalan { Joseph E.Bowles, 1985}. Baja berdeformasi secara nyata dapat dilihat pada batang polos maupun konstruksi portal sederhana. Portal terdiri dari elemen-elemen pelat, kolom, dan balok kolom dimana sambungan balok dan kolom tidak dapat dikatakan mololit seperti beton maka digunakan asumsi-asumsi dalam memudahkan didalam menganalisa. Dalam perencanaan faktor yang harus mendapat perhatian utama adalah masalah kekuatan atau keamanan, masalah keekonomisan dan masalah estetika dari struktur yang direncanakan. Suatu struktur dikatakan kuat atau aman apabila struktur tersebut mampu memikul segala gaya, tegangan dan juga lendutan yang mungkin timbul akibat dari pembebanan yang bersifat sementara. Oleh karena itu seorang perencana harus memperhatikan hal-hal tersebut diatas dengan sebaik-baiknya dalam merencanakan suatu struktur. Dalam tugas akhir ini yang ditinjau adalah kolom baja. Apabila sebuah batang lurus dibebani gaya tekan aksial dengan pemberian beban semakin lama semakin tinggi, maka pada batang tersebut akan mengalami perubahan. Perubahan dari keadaan sumbu batang lurus menjadi sumbu batang melengkung dinamakan Tekuk. Buckling (tekuk) terjadi akibat penekanan pada suatu batang dimana yang mengalami gaya tekan aksial. Dalam hal ini, tekuk dapat terjadi sebelum atau sesudah tegangan idiil dicapai terlebih dahulu, tentu tidak menjadi masalah dalam perhitungan kekuatan baja. Namun apabila tekuk terjadi sebelum tegangan idiil dicapai, tentu akan sangat berbahaya karena peristiwa tekuk terjadi secara tiba-tiba tanpa memberi tanda-tanda misalnya terjadinya deformasi secara perlahan-lahan yang semakin lama semakin besar.
1.2 Tujuan Penelitian Adapun maksud dan tujuan penulisan tugas akhir ini adalah untuk menentukan berapa nilai Pkritis yang dapat diterima oleh kolom baja yang bertampang bulat berongga dan siku. 1.3 Pembatasan Masalah a. Aplikasi terhadap batang profil berongga (Circular Hollow Sections) dengan diameter 40 mm ; tebal 2 mm dan profil siku dengan ukuran 35.35.4 mm. Masing-masing dengan panjang batang 500 mm. b. Struktur adalah dengan tumpuan sendi-sendi c. Bahan baja bersifat elastis linier sesuai dengan hukum Hooke d. Akibat berat sendiri diabaikan e. Perputaran tampang yang terjadi sangat kecil f. Tekuk yang terjadi adalah tekuk elastic 2. TINJAUAN PUSTAKA Kolom merupakan batang tekan tegak yang bekerja untuk menahan balok-balok loteng, rangka atap, lintasan crane dalam bangunan pabrik dan sebagainya yang untuk seterusnya akan melimpahkan semua beban tersebut ke pondasi. Dengan berbagai macam sebutan, seperti kolom, tiang, tonggak, dan batang desak, batang ini pada hakekatnya jarang sekali mengalami tekanan aksial saja.Apabila sebuah batang lurus dibebani gaya tekan aksial dengan pemberian beban semakin lama semakin tinggi, maka pada batang tersebut akan mengalami perubahan. Perubahan dari keadaan sumbu batang lurus menjadi sumbu batang melengkung dinamakan Tekuk. Pada hakekatnya batang yang hanya memikul tekan aksial saja jarang dijumpai dalam struktur namun bila pembebanan diatur sedemikian rupa hingga pengekangan ( restrain ) rotasi ujung dapat diabaikan atau beban dari batang-batang yang bertemu diujung kolom bersifat simetris dan pengaruh lentur sangat kecil dibandingkan dengan tekanan langsung maka batang tekan dapat direncanakan dengan aman sebagai kolom yang dibebani secara konsentris. Dari mekanika bahan diketahui bahwa hanya kolom yang sangat pendek dapat dibebani hingga mencapi tegangan lelehnya, sedangkan keadaan yang umum yaitu lenturan mendadak akibat ketidakstabilan terjadi sebelum kekuatan bahan batang sepenuhnya tercapai. Keadaan demikian yang kita sebut dengan tekuk (buckling). Latar belakang tekuk kolom pertama kali dikemukakan oleh Leondharrt Euler pada tahun 1759. Batang dengan beban konsentris yang semula lurus dan semua seratnya tetap elastis hingga tekuk terjadi akan mengalami lengkungan yang kecil pada gambar II.1. Walaupun Euler hanya menyelidiki batang yang dijepit disalah satu ujung dan bertumpu sederhana ( simply supported ) di ujung yang lainnya, logika yang sama dapat diterapkan pada kolom yang berperletakan sendi, yang tidak memiliki pengekangan rotasi dan merupakan batang dengan kekuatan tekuk terkecil. Kita akan mendapatkan rumus-rumus gaya kritis yang dapat diterima oleh suatu batang sebelum tekuk terjadi. Pendekatan Euler pada umumnya tidak digunakan untuk perencanaan karena tidak sesuai dengan percobaan, dalam praktek kolom dengan panjang umum tidak sekuat seperti yang dinyatakan oleh rumus-rumus Euler. Considere dan Esengger pada tahun 1889 secara terpisah menemukan bahwa sebagian dari kolom dengan panjang yang umum menjadi inelastic sebelum tekuk terjadi dan harga E yang dipakai harus memperhitungkan adanya jumlah serat yang tertekan dengan regangan diatas batas proporsional. Jadi mereka menyadari bahwa sesungguhnya kolom dengan panjang yang umum akan hancur akibat tekuk inelastic dan bukan akibat tekuk elastic. Akan tetapi pengertian yang menyeluruh tentang kolom dengan beban konsentris baru dicapai pada tahun 1946 ketika Shanley menjabarkan teori yang sekarang ternyata benar. Ia mengemukakan bahwa hakekatnya kolom masih mampu memikul beban aksial yang lebih besar walaupun telah melentur, tetapi kolom mulai melentur pada saat mencapai beban yang disebut beban tekuk, yang menyertakan pengaruh inelastisitas pada sejumlah atau semua serat penampang lintang. Untuk menentukan kekuatan kolom dasar, kondisi kolom perlu didealisir dengan beberapa anggapan. Mengenai bahan, kita dapat menganggap : 1. Sifat tegangan-regangan tekan sama diseluruh titik pada penampang 2. Tidak ada tegangan internal seperti akibat pendinginan setelah penggilingan (rolling) 3. Kolom lurus sempurna dan prismatis
4. Resultante beban bekerja melalui sumbu pusat batang sampai batang mulai melentur 5. Kondisi ujung harus statis tertentu sehingga panjang antara sendi-sendi ekivalen dapat ditentukan. 6. Teori lendutan yang kecil seperti pada lenturan yang umum berlaku dan gaya geser dapat diabaikan. 7. Puntiran atau distorsi pada penampang lintang tidak terjadi selama melentur Setelah anggapan-anggapan diatas dibuat, sekarang disetujui bahwa kekuatan suatu kolom dapat dinyatakan sebagai: σcr Dimana :
σcr = tegangan rata-rata pada penampang E t = modulus tangen pada P/A KL/r = angka kelangsingan efektif (ujung sendi ekivalen) Seperti yang kita tahu batang tekan yang panjang akan runtuh akibat tekuk elastis dan batang tekan yang pendek yang buntak dapat dibebani sampai bahan meleleh atau bahkan sampai daerah pengerasan regangan (strain hardening). Pada keadaan yang umum, kehancuran akibat tekuk terjadi setelah sebagian penampang melintang meleleh, keadaan ini disebut dengan tekuk inelastic.Tekuk murni akibat beban aksial sesungguhnya hanya terjadi apabila anggapan dari (1) sampai (7) diatas berlaku. Kolom biasanya merupakan satu kesatuan dengan struktur, dan pada hakekatnya tidak dapat berlaku secara independent. Dalam praktek, tekuk diartikan sebagai pembatasan antara lendutan stabil dan tidak stabil pada batang tekan: jika bukan kondisi sesaat yang terjadi pada batang langsing elastis yang diisolir. Banyak insinyur menyebut “beban tekuk praktis” ini sebagai “beban batas ultimate”. Dari mekanika bahan kita tahu bahwa batang tekan yang pendek akan dapat dibebani sampai beban meleleh. Batang tekan yang panjang akan runtuh akibat tekuk elastis. Pada keadaan umum kehancuran akibat tekan terjadi diantara keruntuhan akibat kelelehan bahan akibat tekuk elastis, setelah bagian penampang melintang meleleh, keadaan ini disebut tekuk inelastis (inelastic buckling). Ada tiga jenis keruntuhan batang tekan, yaitu: 1. Keruntuhan akibat tegangan yang terjadi pada penampang telah melalui materialnya. 2. Keruntuhan akibat batang tertekuk elastic (elastic buckling). Keadaan ini terjadi pada bagian konstruksi yang langsing. Disini hukum Hooke masih berlaku bagi serat penampang dan tegangan yang terjadi tidak melebihi batas proporsional. 3. Keruntuhan akibat melelehnya sebagian serat disebut tekuk inelastic (inelastic buckling). Kasus keruntuhan semacam ini berada diantara kasus (1) dan kasus (2), dimana pada saat menekuk sejumlah seratnya menjadi inelastic maka modulus elastisitasnya ketika tertekuk lebih kecil dari harga awalnya.
P x
1/2
d .
y
0
1/2
P
Kolom dengan Kedua Ujungnya berupa Sendi
Pada suatu kasus kolom dengan kedua ujungnya berupa sendi, tampak dari kesimetrisannya bahwa tiap setengah panjang batang adalah mirip. Karena itu beban kritis pada kasus ini diperoleh dengan mensubtitusikan l/2 untuk besaran l dalam persamaan, yang memberikan Pcr =
=
Kasus suatu batang dengan kedua ujung berupa sendi, mungkin dianggap lebih sering dalam prakteknya dari yang lain. Kasus ini disebut “kasus dasar” (fundamental case) dari tekuk batang yang prismatic. 3. METODOLOGI PENELITIAN Adapun tahapan pelaksanaan penelitian tersebut adalah sebagai berikut :
3.1 Persiapan Penelitian Besi yang diuji berupa batang profil berongga dengan diameter 40 mm ; tebal 2 mm dan profil siku dengan ukuran 35.35.4 mm, dengan panjang masing-masing 500 mm. Besi tersebut akan diteliti pada saat diberi pembebanan secara aksial. Besi tersebut masing-masing diberi tapak sebagai dudukan dan bersifat bebas karena tumpuan yang digunakan adalah sendi-sendi. 3.2 Prosedur Pengujian Pengujian dilakukan dengan menggunakan Hydraulic Jack dengan kapasitas 25 Ton untuk mendapatkan nilai beban kritis (Pkr). Benda uji diletakan secara vertikal, lalu Jack diletakkan diatasnya. Kemudian tempatkan alat berupa dial yang berhubung dengan jarum pengukur yang dapat menunjukkan pergerakan yang terjadi sampai ketelitian 0,01 mm. Beban P secara bertahap ditambah besarnya lalu dicatat besarnya perubahan yang terjadi pada batang. Beban harus ditambah sampai didapat besarnya beban kritis. Untuk setiap besar beban yang bekerja diperoleh besarnya defleksi yang terjadi.
4. ANALISA DAN HASIL PENELITIAN 4.1 Analisa Pada Batang Berongga (Pipa)
A = 2,3864 cm2 kg/cm2 Ix = Iy = 4,32 cm4 imin = 1,35 cm
= Px = 5115,44 kg Karena Ix = Iy , maka Px = Py = 5115,44 kg
Untuk 0,183 <
< 1 maka
=
4.2 Analisa Pada Profil Siku
Penampang Profil Siku
Pada sumbu u-u A = 2,67 cm2 kg/cm2 = 1,33 cm
Untuk 0,183 <
< 1 maka
=
< 1 maka
=
= Pu = 5700,9 kg Pada sumbu v-v = 0,68 cm
Untuk 0,183 <
=
Pv = 4229,7 kg Didapat nilai P kritis : o o
= =
4.3 Hasil Eksperimen Pada Batang Berongga Beban (kg) 500
Pembacaan dial ( x 0,01mm) 95
1000
119
1500
148
2000
178
2500
212
3000
242
3500
268
4000
289
4500
331
5000
377
5500
853
6000
944
6500
1230
7000
1476
Grafik Pengujian Pada Batang Berongga 8000
y = -0,004x2 + 11,27x + 364,9 R² = 0,891
7000 6000
Pkr analisa = 5115,44 kg
P (kg)
5000 Pkr eksperimen = 5000 kg
4000 3000 2000 1000 0 0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 Pembacaan Dial (x 0,01 mm)
4.4 Hasil Eksperimen Pada Profil Siku Beban (kg) 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000
Pembacaan dial ( x 0,01mm) 123 265 305 412 466 512 569 609 663 714 742 822 872 900 938 1018 1475 1590 1714 1922
Grafik Pengujian Pada Profil Siku 6000 y = -0,001x2 + 6,062x - 954,1 R² = 0,972
5000 Pkr analisa = 4229,7 kg
P (kg)
4000
Pkr eksperimen = 4000 kg
3000 2000 1000 0 0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 Pembacaan Dial (x 0,01 mm)
4.5 Sudut Putar Sumbu utama adalah sumbu yang saling tegak lurus dan akan memberikan momen inersia, I maksimum dan I minimum pada suatu penampang. Pada komponen struktur yang mengalami gaya aksial/normal tekan maka
kecenderungannya batang akan tertekuk terhadap sumbu dengan momen inersia yang paling lemah (minimum). Dengan demikian penentuan sumbu utama dan momen inersia utama menjadi penting. Ix = 4,68 cm4 Iy = 1,24 cm4 Ixy = - 17836,72 mm4
tg 2
2 I xy Ix Iy
t g 2 = t g 2 =
= 23,02o
Secara teoritis didapat sudut putar profil siku pada saat mengalami tekuk adalah saat eksperimen diperoleh sudut putar profil siku sebesar = 32o.
= 23,02o , namun pada
5. KESIMPULAN Sesuai dengan hasil perhitungan yang dilakukan dalam menghitung besarnya beban kritis untuk kolom dengan kondisi ujung sendi-sendi maka didapatkan kesimpulan :
1. Kolom dengan penampang bulat berongga dan siku akan mengalami tekuk lentur. 2. Dari perhitungan pada bab IV dapat disimpulkan bahwa Pkr yang diperoleh pada perhitungan secara analisa lebih besar daripada yang terjadi saat eksperimen.
Pkr eksperimen Pkr analisa 3.
Batang Berongga 5000 kg 5115,44 kg
Pofil Siku 4000 kg 4229,7 kg
Secara teoritis didapat sudut putar profil siku pada saat mengalami tekuk adalah saat eksperimen diperoleh sudut putar profil siku sebesar = 32o.
= 23,02o , namun pada
6. SARAN 1.
Untuk perhitungan yang lebih lanjut maka seharusnya juga di analisis kolom yang mengalami beban kritis dengan kondisi ujung lainnya.
2.
Profil dari struktur diubah, misalnya menjadi profil IWF.
3.
Dengan mengikutkan berat sendiri sebagai beban.
7. REFERENSI Chajes. Alexander, “Principles of Structural Stability Theory”, Departement of Civil Engineering University of Massachusetts, 1974 Chen. W. F, “Structural Stability”, Departement of Civil Engineering Syracuse University, 1987 Stephen P. Timoshenko, “Theory of Elastic Stability”, Mc Graw-Hill Book Company, Inc, 1961 G. H. Ryder, “Strenght of Material”, Harper & Row Publisher, New York, 1972 Hans Ziegler, “Principles of Structural Stability”, Blaisdell Publishing Company, 1968 Loa Wikarya Darmawan, Prof. Ir. , “Konstruksi Baja jiid 2”, Penerbit Departemen Pekerjaan Umum Sunggono K.H, Ir. , “Buku Teknik Sipil”, Penerbit Nova, 1984
