ProsidingPertemuanIlmiah SainsMater; III Serpong,20 -21 Oktober 1998
ISSN 1410-2897
KEKUATAN BAJA PROFIL C RINGAN DENGAN WEB BERLOBANG
$3~
Harkali Setiyono UPT -Laboratorium Uji Konstruksi B P P Teknologi
ABSTRAK KEKUATAN BAJA PROFIL C KINGAN DENGAN WEB BERLOBANG. Makalah ini menyajikan hasil penelitian kekuatan baja profit C ringan dengan web berlobang akibat beban tekan memusat. Penelitian di!aksanakansecara eksperimental dan diarahkan untuk mengembangkan rumus empiris yang dapat digunakan untuk memprediksi kekuatan web yang berlobang akibat bebankerja. Rumus empiris ini dinyatakan sebagaifungsi dari ratio tinggi lobang terhadap tinggi web (a/hw) dan ratio !ebar lobang terhadap !ehar efektif tumpuan beban (bin 1). Ketelitian rum us empiris dieva!uasi secarastatistik, dimana hasi! prediksinya temyata cukup konservatif dibanding hasi! eksperimental dan masih berada pada batastoleransi yang diijinkan.
ABSTRACT THE STRENGTH OF A THIN-WALLED LIPPED-cHANNEL STEEL SECTION wrrH PERFORA- TED WEB. This paper presents research findings on the strength of a thin-walled lipped-channel steel section beam with opening web subjected to a concentrated-compressiveload. The researchis carried out experimentally and aimed at developing an empirical formula, which can be used to predict the strength of opening web under the applied load. The empirical formula is expressed in terms of ratios of opening height and web height (a/hw) as well as opening width and effective width of load bearing (bin I). The accuracy of the empirical formula is statistically assessed,where its predicted results are fairly conservative compared to experimental ones and still scattered within an acceptablelimit.
PENDABULUAN Didalam konstruksi rangka batang daTi baja, batang daD kolom yang mendukung beban memusat (tennasukreaksibeban kelja) memerlukanpertimbangan khusus. Beban memusat itu biasanya bekelja pada satu sisi flange saja daD perpindahan beban tersebut kebagian web hams memenuhi persyaratan tertentu. Bahaya dari tipe pembebanan ini akan dapat menimbulkan gaya tekan yang besar sekali diperpotongan antara web dan flange sehingga dapat mernsak web atau dikenal juga dengan sebutan web crippling. Masalah ini akan menjadi lebih besarlagi kalau bagian web dalam keadaan berlobang. Didalam praktek, sering dijumpai bahwa pemakaian profil baja ringan dalam konstruksi terpaksa harns dilobangi bagian web-nya dengan tujuan untuk melewatkanjaringan kabel, peralatan pipa aliran udara dlI. Karena penelitian mengenai pengaruh lobang pada web terhadap kekuatan web crippling dari baja profit ringan botch dikatakan masih kurang dan juga untuk memberikan pegangan dalam mendesain konstruksi dengan profit semacam ini, maka telah dicoba melaksa nakan suatu program penelitian untuk mem-pelajari perilaku baja profit jenis ini. Sebagai obyek penelitian, digunakan baja profit C ringan dengan sistim pembeba Dan tekan memusat ditengah bentang atau Interior one-f/ange loading (IOF) [2,4]. Kehadiran lobang pada web akan dapat mengurangi kekuatanbaja profit ringan terhadap web crip-
Harkali Setiyono
pIing, dimana penurunan kekuatan akan dipengaruhi oleh rasio dimensi lobang daD dimensi utama web maupun tumpuan behan. Parameter ini akan merupakan variabel yang dominan dalam forrnulasi empiris untuk prediksi kekuatan web berlobang.
PENDEKATANEKSPERIMENTAL PendekatanekspeTimentaldilaksanakanpada benda uji baja profil C Tingan yang berjumlah 100 batangdimana 9 batangdengantanpa webberlobang dan91 batangdenganwebberlobang. Benda uji Geometris dari benda uji dapat dilihat pada Gambar 1 dan benda uji terbuat dari baja Galvanized. Berdasarkan ratio tinggi web (hw) dan tebal web (t) benda uji dikelompokkan kedalam tiga seri yaitu seri I (hwlt = 131,6), seri n (hw/t = 164,8) dan seri ill (hwlt = 73,8). Benda uji diperoleh dengan memotongkomponen baja profil C ringan yang panjang denganmenggmJakan mesin gergaji presisi ( Precision band saw ). Karena benda uji sangat tipis, maka selama pemotongan didalam profil disisipkan balok kayu agar profil tidak terpuntir dan melengkung. Da1amTarell (~uadimensi daIamrom),L ada1ah panjang keseluruhan benda uji. Sifat mekanis material dasar ketiga seri benda uji dievaluasi melalui pengujian tarik statis berdasarkan metode standard ASlM [3Jdan basil pengujiannya menunjukkan bahwa rata-rata
115
I
ProsidingPertemuanIlmiah SainsMateri III Serpong,20 -21 Oktober1998
ISSN1410-1897
Tabel I. Dimensi utama nominal bendauji
~
Benda
h
W,
w.
I
200
32
8
n
150
29
7
III
90
34
9
uji
I
t
11,52 I
1
Jml
770
32
0,91
620
1.22
432
r;;-
34
JmI : jumlah benda uji
tegangan luluh cry (Yield strength) ketiga seri material adalah seri 1 (cry = 337 MPa), seri n (cry = 270 MPa) dan seri ill (cry = 260 MPa). Lobang berbentuk segi empat pada web ditempatkantepat ditengah bentang benda uji dengan posisi simetris terhadap sumbu longitudinal benda uji. Dimensi tinggi lobang a bervariasi dari 3 mm sampai dengan 75% tinggi web sedang lebar lobang b bervariasidari 3 mIn sampaidengan 152 mIn.
benda uji sehinggaakan memenuhi sistim Interior oneflange loading (IOF). Sistim pengujian pada Gambar 2. akan menyebabkan kerusakan tepat terjadi ditengah bentang benda uji sebagai akibat daTi konsentrasi tegangan yang besar sekali dilokasi balok reaksi beban (Reaction block). Untuk menghindari kemsakan pada kedua ujung benda uji dan untuk mempertahankan posisi benda uji tetap horizontal selama pengujian, maka dikedua ujung benda uji disisipkan balok kayu (Wooden block) daD ditekan dengangaya axial horizontal ~ 250 N yang diberikan oleh hydraulic jack. Pada saat mesin uji TINIUS-OLSEN memberikan beban uji, maka dengan sistim pengujian diatas akan menyebabkan susunan benda uji, balok pembeban,batang horizontal dan balok kayu menggeserkebawahbersarna-samamelalui sistim Roller sehingga bagian tengah daTi satu flange benda uji tertekan oleh balok reaksi beban dengan gaya sebesarbeban uji dari mesin TlNIUS-OLSEN. Selarnapengujiandefleksi lateral maupun vertikal daTi web diukur dengan Displacement transducers (LVDT) sehingga hubungan beban uji (Load) daD defleksi-defleksi tersebut dapat dicatat dalam X-Y plotters. Pengujian dilakukan pada temperatur kamar dan umumnya pengujian dihentikan setelah beban uji mulai menurun menjauhi nilai maksimumnya yang dapat di capai. Balok Rangka Balok pembebanBebanPembeban Pendu
Rangka
I horizontalJ Batang
penduk~ng
Roller
1/
kung
J:-obang
Rpller
8 n=51mm~!
I-.-
--
Beban tekan
Baiok Balok Load reaksi cell beban Gambar2. Sistempengujian " web crippling" dengan jack
" Balok Benda kayu uji
bebanIOF. Gambar 1. Bentuk benda uji.
ANALISIS TEORIllS Prosedur pengujian Didalam pengujian, benda uji dibebani tekan statis tepat ditengah bentangnya (IOF) dimana sistim pengujian ini dapat dilihat pada Gambar 2. Behan uji (Load) dipindahkan dari mesin uji TINIUS-OLSEN melalui batang horizontal (Beam) kekedua balok pembeban ( Loading block) yang dipasang dikedua ujung benda uji. Reaksi beban uji didukung oleh balok reaksi beban ( Reaction block) daD selanjutnya diteruskan kesatu sisi flange dari benda uji. Lebar dari balok-balok pembebandan reaksi beban n = 51 mm dan balok reaksi beban ditempatkan tepat ditengah bentang
116
Didalam penelitian ini, kekuatan web crippling dari baja profil C ringan tanpa web berlobang akibat beban IOF dianalisa secara teoritis dengan menggunakan spesifikasi desain khusus untuk baja profil basil pembentukan dingin (Cold formed steel sections). Karena tebal dari semua seri benda uji t < 3,2 mm, maka untuk perhitungan sifat-sifat penampang profil cukup diassumsikanbahwa material terpusat pada garis tengah penampang profil daD jari-jari kelengkungan profil boleh diganti dengan perpotongan daTi bagian-bagian profil yang datar [1,4]. Dengan berdasarkan pada assumsi ini maka seluruh penampang profit C ringan tanpa web berlobang
Harkali Setiyono
yc::hw-yt
ProsidingPerlemuan Ilmiah SainsMate'; III Serpong,20 -21 Oktober 1998
ISSN 1410-2897
yang diteliti akan berbentuk seperti pada Gambar 3(a). Akibat sistim pembebanan IOF seperti yang terlihat pada Gambar 2, maka profil akan mengalami interaksi beban tekan memusat ( Web crippling) dan momen lentur ( Bending moment) sehingga flange bagian bawahakan tertekan. Kalau tegangan tekan yang terjadi mencapai tegangan tekan kritis, maka flange akan mengalami local buckling sehingga akan menjadi kurang efektif dalam mendukung beban. Untuk menentukankekuatan profil akibat interaksi antara web crippling dan bending moment, maka seluruh sifatsifat dari penampang profil ditentukan berdasarkan penampang efektif profil seperti yang terlihat pada Ganmr3 (b).
yield strengthmaterialdalamMPa.: designstrength dalamMPa.
Sy
Py
POT adalah tegangan kritis (MPa) yang dapat menimbulkan local buckling padaflange dan besarnya adalah:
dimana: t : tebalflange dalamrom. b: lebar selurnh flange dalam rom = b I. K : konstanta buckling yang besarnya tergantung pada bentukflange, dimana untukflange yang belt>entuk Stiffened element besarnya K ditentukan sebagai berikut:
O,Sb22+O,Shw2 +beff hw+b2(hw-O,Sb2)
yt= \0) PENAMPANG PENUlt
bl+2b2+hw+beff
'0.) PENAMPANQEFrEKTIF
(7)
Garnbar3. Penampangbendauji.
Lebarflange bi = Wf + 5t, lebar lekukanflange b2 = Wt + 2,5t dan tinggi web hw = h + t. Dalam Garnbar 3(a), daerah tarik (yt) sarnadengan daerahtekan (yc) sedang pada Gambar 3(b), daerah tarik (yt) tidak sarna dengan daerah tekan (yc). Lebar efektif flange beff yang mendukung beban dapat diperoleh dari mmus berikut ini [I].
Posisisumbunetralpenampangeft'ektif: Momen inersia penampangefektif terhadapsumbu netrnl(I) : 2 I =t{ -b
I 2) + yt 2 hi + 7-(yt
3
) + yc ))+ yc 2 beff }
3
(8)
Modulus penampang elastis didaerah tarik
Kalau
h
P .r
Kalau
L:?;
(1)
; ~=I
~O,123 0.123
I
Z=I yt
(9)
;
P...
~=[l+14{(
L)o"-O.35
P..
}4]-O.2
( 2)
Dalam nunus-nunus diatas, b = b 1 sedang fo adalah tegangan tekan (MPa) yang bekerja sepanjang penampangefektif dari flange dan tegangan ini dihitung dati [1]:
(3)
dimana: hw t
: tinggi web dalam min. : tebal web dalam min.
Harkali Setiyono
Modulus penampang elastis didaerah tekan
z=e yc
Karena didalarn pengujian, profit disamping mendukung beban tekan memusat juga mendukung roomeD tentur, maka pertu ditentukan besamya kemarnpuan profit dalarn mendukung roomeD tentur atau moment capacity <Mc). Posisi titik geser (Shear center) daTi profit C ringan berada dituar bidang web, sehingga dengan sistim pembebanan IOF disamping profit akan mengalami flexural buckling sebagaiakibat
117
ProsidingPertemuanllmiah SainsMateri III Serpong,20 -21 Oktober1998
ISSN1410-2897
momenlentur, profit juga akan cenderungmengalami lateral-torsional buckling sebagaiakibat daTi posisi pembebananyang berada diluar titik gesernya.Atas dasar ini, maka momentcapacity Mc dari profit ditentukandenganmempertimbangkanketahanannya terhadapkeduatipe buckling tersebut. Ketahanan momen akibat flexural buckling(M.) Penentuan Mfb didasarkan pada persyaratan bahwa tegangan tekan maksimum yang bekerja diperpotongan antara web daD flange tidak boleh melampaui batas tegangan Po seperti yang dimmuskan dalam mmus (3). Untuk yielding pertama-tama terjadi didaerah tekan (zc < ~, maka ketahanan momen dari profil akibat flexural buckling diperoleh dari
Gambar 4. Posisi titik berat profil.
Ketabananmomenterhadap lateral -torsional
buckling(MJ
fi:
(17)
rJl=VA
1 {My +(l+7])M E}] M tb=-:;t
Luaspenampangpenuhprofit:
dimana My adalah yield moment yang dapat diperoleh dati: II
lVly-
-u
A=t(2h, +2b2 +hw) (18) Karena berdasarkan syarat batas, kedna ujung profil dicegab untuk tidak berotasi kesegala arab, maka
fBljn:J~
tjfp1Ofil(~ ) :
LE =0,7 L
I, -
(13)
yyc
Ix adalah momeninersia penampang penuh profit seperti yang terlihat pada Gambar3 (a) terhadapsmnbunetralnya, dimana yt = yc = 0,5 hw.
(19)
Kalan : L .=-L{ 40 C , ; 17 = 0 ry
£L)40
(20)
C, ;17= 0 ,002 (~40
ry I J=2t( b22+ b I hw2 +-)hw3
3
4
(14)
C , )(21)
ry
C,=l
24
Untuk menghitung besaran-besaranh dan ~ ' maka perlu ditentukan momen inersia penampangpenuh profil terhadap sumbu vertikalnya (I y ) seperti yang terlihat pada Gambar4. 2b,b2+b: x=0 2b,+2b2+hw
(15) I y=2t[b2(bl-Xo)2+~(bl-
3
Xo)3+x;}+x;hw]
(16)
Radiusgyrasiprofil terhadapsumbuvertikal (ry) [9]
ME:'.
1f2AEhw ';'-"" 2(.!::L)
ry
CE(I+-;:=;:-( I
2
20
L E I ry hw
)2}O,S
( 22)
dimana: E : moduluselastisitas. A : luaspenampangpenuhprofil,rumus(18). hw : tinggi web. t : tebalprofil. Dari rumus-rumus(12),(13),(20),(21)dan (22)didapat niBiM tb. Moment capacityMc daTiprofil ditentukan sebagaiberikut :
ProsidingPertemua" Ilmiah Sai"s Materi III Serpo"g,20 -21 Oktober 1998
ISSN 1410-2897
Kalan
Tabel2.Bendauji tanpaberlobang
M'b(M
flI ; Mc=M'b
(23)
&oIal!ii No.
Mtb>M... ; Mc=M...
(24)
Fe(KN)
FCB(KN)
Fe/FCB
12.38
10.92
1.13
1- 2
12.38
10.92
1.13
1-3
12.40
10.92
1.14
n- 1
4.08
3.60
1.13
ll-2
4.08
3.60
1.13
n-3
4.08
3.60
U3
mol
7.63
6.S3
U7
djrnana
Ul-2
7.ro
6.S3
1.16
Fc : gaya tekan memusat maksimum tanpa pengamh interaksi momen lentur. M: momen lentur maksirnum yang bekerjapadaprofil. Mc: momentcapacity dari profil. Besarnya F CBdigunakan sebagaiprOOiksiteoritis dari kekuatan web crippling baja profil C ringan tanpa web berlobang. Didalam rumus ( 25 ), F cdapat diperoleh
li-3
7.63
6.S3
Jadi untuk menghindari web crippling ~a gaya tekan memusatmaksimum yang bekerja pada profil akibat beban IOF tidak boleh melampaui gaya tekan memusat yang diijinkan (F CB)daD gaya ini dapat dihitung melalui nnnus berikut ini [1,4]. 1 .2
F
CB
Fc
M I -=--~ M
I ,5
(25)
e
dari[l]:
(26) dimana: t : tebalwebdalammm. K : py/228 py : designstrength dalamMPa. Cl : 1,22 -0,22K C2 : 1,06 -0,06 (r/t) r : radiuskelengkunganantarawebdanflange n : lebartumpuanbebandalammm. C 12 : 0,7 + 0,3 ( e I 90)2 e hw
: sudutkemiringan web : tinggi webdalammm.
BASIL DAN PEMBABASAN Hasil-hasil eksperimen yang disajikan disini berhubungan dengan beban-beban maksimum yang dapat dicapai dalam pengujian. Untuk setiap seri benda uji, paling sedikit tiga batang benda uji yang identik diuji dan dari hasilnya diketahui bahwa penyimpangan nilai beban maksimum yang didapat untuk setiap benda uji terhadap nilai rata-ratanya temyata lebih kecil daTi 1%. Untuk benda uji tanpa web berlobang, nilai beban maksimum eksperi-mentainya(Fe) dibandingkan dengan nilai beban maksimum basil prediksi teoritis (F CB) seperti berikut ini. Prediksi teoritis dalam tabel diatas didasarkan pada ukuran dimensi nominal dari benda uji dengan rata-rata modulus elastisitas untuk material baja E = 200 X 103MPa. Spesifikasi desainyang digunakan
Harkali Setiyono
1.17
ternyata dapat menghasilkan prediksi teoritis yang konservatif, dimana daTi analisa statistik diperolel. bahwa penyimpangan rata-rata prediksi teoritis mencapai 14,3% lebih rendah daTi basil eksperimen dengan standard deviasi S = 0,018 dan coefficient of variation = 0,016. Hal ini menunjukkan bahwa prediksi teoritis yang dihasilkan cukup arnan dan penyebaran datanya sangat konsisten serta masih berada pada batas-batas toleransi yang diijinkan untuk pengujian web crippling, yaitu :i: 20%. Untuk mengetahui kekuatan web crippling dari benda uji dengan web berlobang, maka beban-beban maksimum basil eksperimenbenda-benda uji tanpa daD dengan web berlobang daTi seri yang sarna dibanding kan. Karena benda-benda uji yang dibanding kan dari seri yang sarna,rnaka dimensi nominal dan rnaterialnya juga sarna, sehingga perbedaan beban maksimum eksperimentalnya semata-mata hanya disebabkan oleh kehadiran lobang pada web. Suatu parameter non dimensional yang dipertimbangkan untuk mengetahui pengaruh lobang pada web terhadap penurunan kekuatan web crippling adalah ratio R (Eksperimen) dari Fe (Dengan lobang web) / Fe (Tanpa lobang web). Penyebaran data basil eksperimen dianalisis regressi
sehinggadidapat persamaanempiris yang dapat digunakan untnk memprediksi nilai kekuatan web crippling dari benda uji dengan web berlobang yang mendekati nilai aktualnya. Beberapa macam analisa regressipolynomial mulai dari derajad satu,dua dan tiga telah dicoba, kemudian hasilnya digunakan untuk memprediksi ratio R (Teori). Dengan membandingkan ratio R (Teori) dengan ratio R (Eksperimen) serta menganalisa penyebarandatanya secara statistik, maka didapatkan persarnaan prediksi empiris paling terbaik digunakan adalah sebagaiberikut :
119
ProsidingPertemuanllmiah SainsMateri III Serpong,20 -21 Oktober 1998
R(Teori ) = Fc. (Dengan lobang web) = Fc. (Tanpa lobang web)
/SSN /410-2897
(27)
{1-O,197(-.!!.-f}{I-O,127 (!!-)2] hw
nl
dimana FCB : PrOOiksibebantekan memusatmaksimum yang dapat didukung oleh benda uji ( KN ). a
b hw
Tinggi dari lobang ( mm ). Lebar dari lobang ( mm). Tinggi web (mm) = h +t.
h & t: Seperti yang didetinisikan dalam Tabell. nl .Lebarefektiftumpuanbeban=n+(h-a) n .Lebar tumpuan bebanyang sebenarnya (mm). Untuk mengetahui ketelitian dari penggunaan mmus (27), maka basil prediksi kekuatan web crippling dengan web berlobang FCB (Dengan lobang web) dibandingkan dengan kekuatan aktualnya Fe (Dengan lobang web) daD hubungan ratio RI = Fe (Dengan lobang web) / FCD(Dengan lobang web) dengan para meter non dimensional a / hw serta b / nl disajikan dalam Gambar 5. daD 6. Kedua gambar tersebut menunjuk-kan bahwa sebagian besar data prediksi teoritis dari mmus (27) masih menyebar dalam batasbatas toleransi yang diijinkan untuk kasus web crippling, yaitu :I: 20% sertaprediksinya cukup konservatif. Dari analisa statistik didapatkan bahwa rata-rata penyebaran datanya 1,,061 dengan standard deviasi 0,032 dan coefficient a/variation 0,030.
KESIMPULAN Penelitian eksperimental yang telah dilakukan menghasilkan suatu nIlnUSempiris yang dapat digunakan untuk memprediksi berkurangnya kekuatan web crippling dari baja profil C ringan akibat pengaruh lobang pada web. Dari rumus empiris yang dibasilkan dapat disimpulkan juga bahwa kekuatan web crippling tidak hanya dipengaruhi oleh lobang pada web saja, tetapi cacat pada web baik yang berposisi transversal (b = 0) maupun longitudinal (a = 0) dapat menurunkan
Gambar 5. Ketelitian prediksi rumus (27) terhadap variasi tinggi lobang
kekuatan web crippling. Penjabaran nIlnUSempiris ini didasarkan pada parameter-parameter lobang (a / hw) dan (b /nl ), dimana lebar effektiftumpuan beban nl didasarkan pada sudut penyebaran beban memusat ( Concentrated load dispersion angle) mendekati 45°. Didalam penelitian juga digunakan spesifikasi desain untuk memprediksi kekuatan web crippling dari baja profil C ringan tanpa web berlobang daD basilnya ternyata cukup konselVatif dibanding basil eksperimen. Disamping itu ketelitian dari prediksi rumus empiris yang dihasilkan dievaluasi dengan basil eksperimen daD ternyatadari basil analisa statistik prediksi rumus empiris rata-rata menyimpang 6,1% lebih rendah dari basil eksperimen, tetapi penyimpangan data ini masih berada pada batas-batastoleransi :I::20%.
DAFTAR PUSTAKA [1]. British Standard Institution," Code of practice for design of cold -formed sections ", BS 5950 : Part 5 : I987,pp.I5-26. {2]. American Iron and SteelInstitute, " Specifications
Gambar 6. Ketelitian prediksi rumus (27) terl1adap variasi
lebar lobang.
for .the Design of Cold -Formed Steel Structural Members ", AlSI, Washington, D.C., 1986. [3]. American Society for Testing and Materials, " Annual Book of ASTM Standard", Philadelphia, 1986. [4]. HARKALI SETIYONO," Web Crippling of Cold-
