STUDI KEGAGALAN GESER PADA WEB-POST BALOK BAJA CELLULAR

STUDI KEGAGALAN GESER PADA WEB-POST BALOK BAJA CELLULAR Suharjanto1, 1

Jurusan Teknik Sipil,Fakultas Teknik, Universitas Janabadraa, Jl.tentara Rakyat Mataram No. 55-57 Yogyakarta Email: [email protected]

ABSTRAK Balok baja cellular adalah modernisasi dari balok kastelasi tradisional yang menghasilkan peningkatan tinggi 40 sampai dengan 60% dari balok asalnya. Tinggi, diameter dan jarak lubang dapat ditentukan secara fleksibel. Kekuatan balok seluler dapat mencapai 2,5 kali balok atau profil asalnya oleh karena itu akan menciptakan konstruksi dengan bentang panjang. Salah satu kelemahan pada balok kastelasi ini adalah kegagalan di daerah web-post, yang salah satu penyebabnya akibat tegangan geser di daerah web-post. Kajian mengenai perilaku web-post akibat geser perlu dilakukan untuk mendapatkan desain balok seluler yang optimal. Tujuan dari studi ini untuk mengetahui distribusi tegangan geser pada web-post dan perilaku kegagalan dengan pola pembebanan dan kondisi batas yang umum berlaku. Untuk mengetahui hal tersebut balok cellular non komposit diuji adan dianalisis baik secara analitis teoretis maupun dengan pengujian eksperimental. Hasil studi menunjukkan bahwa kegagalan geser pada daerah web-post balok baja cellular tanpa pengaku (stiffener) terjaai pada tegang geser 0.25 σy (tegangan luluh) jauh dibawah tegangan geser ijin 0,4 σy. Fenonemena ini dikaibtakan lemahnya daerah web-post sehinggga terjadi buckling sebelum tegangan geser ijin tercapai. Kata kunci: balok seluler, tegangan geser elastik, web-post

1.

PENDAHULUAN

Salah satu jenis material bangunan yang sering digunakan untuk struktur dalam bangunan teknik sipil seperti gedung dan jembatan adalah baja. Seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi yang semakin maju, diupayakan berbagai cara untuk dapat meningkatkan sifat-sifat baja. Dalam rangka meningkatkan kualitas di bidang struktur perlu ditinjau beberapa aspek, antara lain aspek optimalisasi, baik mengenai penggunaan dana untuk pembelian bahan bangunan maupun penggunaan bahan sebagai unsur dari bangunan struktur itu sendiri. Baja sebagai bahan konstruksi mempunyai banyak keuntungan, salah satunya yaitu mempunyai kekuatan yang cukup tinggi dan merata. Akibat kekuatan yang cukup tinggi tersebut struktur baja umumnya mempunyai ukuran tampang yang relatif kecil, jika dibandingkan dengan struktur atau bahan konstruksi lainnya. Selain kekuatan dan keuntungannya, struktur baja juga mempunyai kelemahan yaitu tekuk (buckling) yang sering terjadi diakibatkan dari batang-batang struktur yang langsing. Sehubungan dengan hal tersebut di atas, teknologi konstruksi baja saat ini sudah mulai mengembangkan bentuk lubang lain yang lebih kontinyu yaitu bentuk cellular. Proses manufaktur balko baja cellular terlihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Proses manufaktur balak baja cellular Di Indonesia balok baja cellular kini telah dikembangkan oleh beberapa industri baja, tetapi baik teori tentang analisis dan penelitian tentang balok baja profil I dengan lubang cellular sampai saat ini belum terpublikasi dalam text book ataupun literatur di Indonesia. Beberapa industri baja di luar negeri seperti Macsteel, Westok dan Fabsec telah me-release melalui home page masing-masing, baik katalog, design guide dan design software mengenai balok baja cellular ini. Sedangkan di Indonesia, profil dengan bukaan cellular belum banyak digunakan. Berdasarkan kajian cellular beam dari industri baja dan peneliti yang terdahulu kelemahan balok baja bukaan cellular terdapat pada daerah web-post khususnya akibat geser yang terjadi. Maka dari itu perlu diadakan kajian teorretik maupun studi eksperimental tentang kegagalan geser pada daerah web-post balok baja cellular

2.

TINJAUAN PUSTAKA

Studi eksperimen dan kajian teoretis tentang perilaku geser balok baja kasetelasi untuk berbagai bentuk bukaan, telah banyak dilakukan oleh para peneliti terdahulu untuk mengetahui tegangan dan defleksi pada balok. Delesquez (1968) melakukan kajian teoretis tentang torsi pada balok kastela dengan bentuk lubang heksagonal dengan

SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5 Universitas Sumatera Utara, Medan - 14 Oktober 2011

S-53

Struktur

menyusun program analisis struktur elatis untuk memecahkan permasalahan torsi pada balok kastela dengan lubang heksagonal tersebut. Aglan dan Redwood (1974) mengkaji kegagalan di daerah web-post dengan metoda finite difference pada perilaku elastoplastic di daerah strain hardening untuk balok kastela dengan bentuk lubang heksagonal dan modifikasi dengan penambahan pelat pada bagian web post. Lawson et al (2004) mengembangkan konsep strut analogy untuk memeriksa stabilitas di daerah web-post balok kastela lubang cellular. Hasil penelitian dari Lawson ini kemudian digunakan sebagai acuan desain fabrikasi balok cellular oleh pabrik baja Macsteel. Aglan dan Redwood (1976), mengkaji web-post buckling dengan metoda finite difference pada perilaku elastoplastic di daerah strain hardening untuk balok Kastela dengan bentuk lubang hexagonal dan modifikasi dengan penambahan pelat pada bagian web-post. Kerdal dan Nethercot (1984) meneliti tentang model keruntuhan balok baja kastela. Zarrour, W. dan Redwood, (1996), meneliti pada instabilitas balok Kastela akibat buckling yang terjadi pada daerah web-post dengan cara menambah pelat tipis pada daerah web-post, dengan maksud perilaku buckling di daerah tersebut bisa di amati. Prediksi buckling load untuk pengujian eksperimental ditentukan dahulu secara komputasi dengan analisis inelastik metode elemen hingga. Penambahan pelat tipis dimaksudkan perilaku inelastic buckling bisa terjadi disini. Hasil uji menunjukkan ada sedikit bias pada hasil analisis Inelastic FEM (Inelastic Finite Element Method), yaitu sedikit kesalahan praduga lebih (over estimates) dalam memprediksi kekuatan atau kapasitas tegangan pada daerah web-post yang makin langsing, khususnya pada pelat tipis tambahan (intermediate plate) pada web-post. Dari hasil kajian tersebut Zarrour dan Redwood menyarankan baik penggunaan metoda elemen hingga maupun metode analisis lain sebelumnya (finite difference maupun analisis Vierendel dan teori elastisitas) bisa diterima sebagai metoda prediksi instabilitas pada web-post, meskipun metoda selain FEM masih punya variabilitas yang tinggi. Redwood R. dan Demirdjian S. 1998, melakukan penelitian tentang buckling akibat geser pada webpost dengan menguji 4 (balok) balok Kastela dengan bukaan heksagonal. Prediksi buckling load untuk pengujian eksperimental ditentukan dahulu secara komputasi dengan analisis elastik metode elemen hingga. Hasil pengujian menunjukkan bahwa buckling load tidak banyak dipengaruhi besarnya rasio momen dan gaya geser dan buckling load maksimum hasil pengujian eksperimental lebih besar sekitar 4 – 14 % dari pada hasil komputasi numerik dengan metoda elemen hingga elastik, dan dapat disimpulkan analisis elastik dengan menggunakan metoda elemen hingga dapat diterapkan dalam penghitungan buckling load untuk balok Kastela. Koefisien elastic buckling akan menimbulkan gaya geser di daerah buckling pada web-post untuk berbagai variasi geometri lubang pada balok Kastela, tata letak lubang dan asumsi pengekangan oleh sayap profil. Redwood & Demirjian ini juga menyarankan, perlu diketahui transformasi dari geser horisontal pada web-post ke geser vertikal, khususnya pada bukaan didekat tumpuan, untuk balok yang dibebani dengan beban merata. Hasil-hasil penelitian di atas hampir semuanya terfokus pada bentuk heksagonal, yang berdasar pengalaman di lapangan pada umumnya terjadi konsentrasi tegangan pada bagian sudut sehingga sering menimbulkan crack di daerah tersebut. Bentuk lubang dengan sisi tidak bersudut seperti bentuk cellular ataupun cellular diharapkan dapat menghindarkan kerusakan atau crack tersebut. Penelitian dalam bentuk lubang dengan sisi tidak bersudut seperti bentuk cellular telah dikembangkan oleh industri baja baik di luar maupun di dalam negeri. Oleh karena itu, perlu penelitian yang berupa pada balok baja profil I dengan bukaan pada badan bentuk cellular.

3.

KONSEP DASAR DAN LANDASAN TEORI

Panduan desain umum untuk balok dengan bukaan pada badan menurut Lawson (1988), membuat balok fabrikasi dan tapered. Analisis juga membahas balok bukaan cellular dengan memperhatikan web-post buckling sebagai modifikasi analogi strut. Pendekatan ini telah dikalibrasi dengan analisis elemen hingga dengan ragam ukuran webpost antara 0,2 d0 sampai dengan d0, dan untuk diskrit bukaan dengan jarak melebihi d0.

Ketahanan geser a.

Di daerah bukaan, ketahanan geser balok tanpa pengaku adalah Vw = 0 ,6.Py (A v1 + A v 2 ) dengan mengabaikan sayap untuk tampang profil tersusun dengan las (welded section), maka Av1 , Av2: Luas bidang geser badan bagian atas dan bawah bukaan, Py : Perlemahan kekutan efektif web

b.

(1)

Ketebalan web yang efektif dari penampang lekukan web dikurangi dengan adanya gaya geser tinggi, sebagai berikut: 2

é 2V ù t eff V = 1 - ê 0 - 1ú untuk 0 > 0 ,5 t V V w ë w û dengan, t e ff = tebal efektif web, t = tebal aktual web Untuk daerah geser rendah, dimana V0 ≤ 0,5Vw,te ff = t

S-54

(2)


Struktur

Tegangan Geser pada Web-post a. Panjang Efektif web-post Panjang efektif dari web-post sebagai pengaku balok cellular ditentukan serperti terlihat pada Gambar 2, adalah sebagai berikut :

l e = 0 ,5 s 0 2 + d 0 2

(3)

s0

σ le

d0

D

σ 0,5s0

Gambar 2. Panjang efektif web-post b. Gaya geser horizontal yang bekerja pada web-post adalah : Vh = V0

(s 0 + l e )

D dengan, : s0 = lebar web-post; V0 = gaya ; ℓe = panjang effektif lubang = 0,5.d0 ; D = tinggi profil Maka tegangan geser horizontal menjadi: (V ´ Q ) th h I.t dengan : Q = statis momen ; I = momen inersia ; t = tebal profil

(4)

(5)

Gaya geser tidak boleh melebihi: Vh ≤ 0,6.Py.t (0,9.s0)

(6)

Faktor bentuk dari 0,9 digunakan karena geser tidak seragam yang ada dalam web-post.Untuk bukaan cellular, tinggi efektif diambil 0,7.d0, dan lebar efektif web-post diambil sebesar (so + 0,3.d0). Hal ini menyatakan persyaratan terpenuhi apabila s0 ≤ 0,3.d0

Tegangan Geser pada Badan Balok dengan Flens Secara Teoretis Tegangan geser pada badan (web) balok dengan flens seperti terlihat pada Gambar 3 berikut. b τ

t

h1/2 h1

h y1

z h 1/2 τ min τ max

y

Gambar 3. Tegangan geser pada badan balok dengan flens Luas penampang: æh h ö æh ö Flens : Af = b ç - 1 ÷ ; Badan : Aw = t ç - y 1 ÷ (7) 2 2 2 è ø è ø Momen dari luas penampang diatas terhadap sumbu netral diperoleh dengan megalikan luas degan jarak dari sumbu z ke titik berat dari luar :

h / 2 - y1 ö æ h h ö æ h h / 2 - h1 / 2 ö æh öæ Q =b ç - 1 ÷ ç 1 + ÷ + t.ç 1 - y 1 ÷ ç y 1 + 1 ÷ 2 2 2 2 2 2 è øè ø è øè ø

(8)

atau disederhanakan sebagai berikut : Q=

(

) (

b 2 t h - h12 + h12 - 4 y12 8 8


)

(9)

S-55

Struktur

maka tegangan geser τ dalam badan balok adalah :

[(

) (

)]

V.Q V = b. h2 - h12 + t. h12 - 4 y12 I .t 8. I .t dengan , τ = tegangan geser ; V = gaya ; Q = statis momen ; I = momen inersia dan t = tebal badan (web) t=

(10)

Tegangan geser maksimum terjadi pada sumbu netral (y1= 0) dan tegangan geser minimum dalam badan balok terjadi pada titik sambung dengan flens (y1= ± h1/2) jadi: t max =

(

( (

)

3.V b.h2 - b.h1 2 + t.h1 3 V b.h2 - b.h1 2 + t.h1 2 = 8. I .t 2.t b.h3 - b.h1 3 + t.h13

)

)

dan t min =

(

)

(

)

3.V.b h2 - h1 2 V 2 h - h1 2 = 8. I .t 2.t b.h 3 - b.h1 3 + t.h13

(

)

(11)

Lingkaran Mohr Berdasarkan Rosette Regangan 45o Pada penelitian ini digunakan rectangular rosette dan dipasang pada web-post. Untuk dapat menganalisis data dari rectangular rousette digunakan rumus-rumus lingkaran Mohr sebagai berikut.

450

[

450

Gambar 4. Rosette regangan 45o dan Lingkaran Mohr Alat pengukur regangan strain gage A, B, C berturut-turut mengukur regangan-regangan normal εa; εb; εc εc = εy εb = εx1 εx y (12) untuk θ = 45 , εb = + cos 90 + sin 90 ; γxy = 2 εb- εa- εc 2 2 2 Dengan mengetahui regangan-regangan εx, εy, dan γxy, maka dapat dihitung regangan-regangan dalam arah lainnya dengan mengunakan lingakran Mohr. Seperti terlihat pada Gambar 4. o

εa = εx εx + εy

εx - εy

2

æ εx - εy ö ÷÷ + g x y 2 çç 2 ø è Regangan-regangan utama dapat dihitung dari persamaan berikut :

R=

ε utama terbesar =

εx + ε y

+ R dan

ε utama terkecil =

2 Jadi tegangan-tegangan geser diperoleh dengan persamaan berikut :

(13)

εx + εy 2

-R

t maks = ε maks ´ G; t min = ε min ´ G; t xy = g xy ´ G G=

E [2(1 + υ)]

(15) (16)

dengan , E = modulus elastisitas bahan ; υ = poisson’s ratio ; G = modulus geser ;γxy = regangan geser

S-56


Struktur

4.

METODOLOGI PENELITIAN

Untuk lebih jelasnya tahapan dan proses penelitian dapat dilihat pada Gambar 4.1 Bagan alir (Flow Chart) Mulai Kompilasi Data dari Pabrik Baja di Indonesia Data produk berdasar catalog (tampang I, cellular form)

Pembuatan Benda Uji Pengujian Laboratorium Perhitungan Tegangan Geser

Temuan-temuan dan Simpulan Selesai

Gambar 5. Bagan Alir Metode Penelitian

Bahan dan Pembuatan Benda Uji Sebelum melaksanakan penelitian perlu diadakan persiapan bahan atau benda uji. Dalam penelitian ini bahan yang digunakan adalah baja profil I WF 150×75 mm yang dimodifikasi balok baja cellular. Proses pembuatan baja castella bukaan cellular adalah sweperti terlihat pada Gambar 6 sebagai berikut : d o = 15,5 cm 7,5 cm

0,25d0 22,5 cm

15 cm 110,47 cm

S = 19,38 cm

L = 100,78 cm

b. a. c. Gambar 6. a. Pembentukan bukaan b. Setelah dipotong dan diangkat c. Disambung dengan cara pengelasan

Pengujian Pengujian dilakukan dengan cara memberi beban gaya vertikal pada balok tersebut, dan Setting pengujian di laboratorium seperti terlihat pada Gambar 7. berikut ini.

Gambar 7. Setting pengujian


S-57

Struktur

5.

PEMBAHASAN HASIL PENELITIAN

Dari hasil penerapapan formulasi pada Landasan teori di atas diadapat grafik hubungan antara Beban dan tegagan geser maksimum baik secara teoretis maupun eksperimental seperti terlihat pada Gambar 8. berikut.

Gambar 8 . Grafik Hubungan Tegangan dan Beban Balok Baja Cellular Hitungan teoretis dan Uji Eksperimental Dari hasil analisis data uji eksperimental di atas, diperoleh temuan-temuan sebagai berikut ini : 1.

2.

Pengujian eksperimental pada benda uji Cellular-1 maupun Cellular-2 memperlihatkan kurva cenderung linier di daerah elastis dan tidak terjadi deviasi yang cukup signifikan (sekitar 5%) antara kurva hasil uji eksperimental dengan hasil analisis struktur secara tewroritis. Hal ini disebabkan kelangsingan web post belum mengakibatkan fenomena buckling . Kurva grafik ini menunjukkan bahwa hasil analitis teoretis sangat dekat dengan hasil pengujian. Hasil pengujian eksperimental ini dipergunakan untuk mengabsahkan kajian analisis struktur di daerah elastis , sehingga kajian analisis struktur tersebut cukup valid. Ujji eksperimental geser memperlihatkan fenomena bucklingdengan local elastic buckling dan dilanjutkan local elasto-plastic buckling, seperti terlihat pada Gambar 9.

Gambar 9. Fenomena buckling pada Balok Baja Cellular 3.

4.

6.

Kurva Gambar 8 di atas menampilkan non linieritas tetap pada beban ± 110 kN dan tampak dari kurva baru tersebut bahwa tegangan geser maksimum yang terjadi pada web-post = 0,25.σy = 300 MPa terjadi sebelum buckling. Hal ini berarti bahwa tegangan geser ijin = 0,25.σy menjamin tidak terjadinya buckling, jika tidak menggunakan stiffener (pengaku badan). Nilai ini jauh lebih rendah disbanding nilai tegangan gesrer minimum, 0,4. .σy , dikarenakan fenomena buckling terjadi sebelum tegngan geser ujian tercapai. Pembahasan butir 1 sampai dengan 3 diberikan peneliti sebagai diskusi agar masih dapat menarik pelajaran dari kurva hasil penelitian ini.

KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan Dari kajian banding analisis struktur balok baja cellular antara secara analitis teoretis dengan uji eksperimental di atas, diperoleh temuan-temuan sebagai berikut ini :

S-58


Struktur

a. b. c.

Penelitian ini menunjukkan bahwa hasil analitis teoretis sangat dekat sehingga pengujian eksperimental ini dipergunakan untuk mengabsahkan kajian analisis struktur di daerah elastis, sehingga kajian analisis struktur tersebut cukup valid.. Grafik kurva uji eksperimental tersebut juga memperlihatkan bahwa pada beban ± 110 kN kurva mulai mengalami deviasi dan tidak lagi linier. Non-linieritas tersebut disebabkan oleh fenomena buckling. Fenomena tersebut dimulai dengan local elastic buckling dan dilanjutkan local elasto-plastic buckling Penelitian menunjukkan geser bahwa pada tegangan geser yang terjadi pada web-post = 0,25.σy pada balok baja cellular tanpa stiffener menjamin tidak terjadinya buckling, jika tidak menggunakan stiffener (pengaku badan). Nilai ini jauh lebih rendah disbanding nilai tegangan geser ijin, 0,4..σy , dikarenakan fenomena buckling terjadi sebelum tegngan geser ujian tercapai.

Saran Belum tersosialisasinya penggunaan balok baja cellular sebagai salah satu alternatif desain struktur yang ringan, ekonomis dan mempunyai fungsi layan yang lebih sebagai duct-work terutama di Indonesia, mengakibatkan pabrik baja di Indonesia tidak bergairah mengembangkan produksi balok jenis ini. Sosilalisasi balok baja cellular perlu dilakukan baik di kalangan akademisi maupun praktisi bangunan, khususnya di Indonesia. Penelitian tentang balok baja cellular belum banyak dilakukan, maka disarankan penelitian lanjutan seperti : a. Balok cellular komposit. Di lapangan umumnya balok baja difungsikan sebagai balok lantai, berinteraksi dengan pelat beton di atasnya, yang kemudian menjadi satu kesatuan yang monolit sebagai balok komposit. Perilaku dan kapasitas balok ini perlu diteliti guna pengembangan ilmu teknik struktur bangunan. b. Balok cellular dengan bentuk dan jarak lubang cell tidak konstan. Untuk meningkatkan fungsi layan balok cellular sebagai duct-work perlu fleksibiltas tata letak lubang yang tidak harus konstan atau beraturan. Penelitian balok jenis ini perlu dilakukan dan tentunya diikuti teknik cutting pembentukan lubang yang khusus c. Balok cellular dengan bentuk lubang cellular tidak tetap. Bentuk lubang yang tidak konstan perlu diteliti untuk peningkatan kemampuan atau kapasitas dukung balok, karena bentuk lubang akan menyesuaikan besarnya gaya atau beban yang bekerja pada daerah lubang tersebut d. Balok cellular dengan posisi tidak sentris di badan. Penempatan lubang yang tidak sentris pada badan perlu dilakukan untuk efektivitas tampang balok khususnya balok cellular komposit. Penelitian untuk balok jenis ini juga belum banyak dilakukan. e. Balok cellular dengan pelat tambahan (adding plate) di web-post Untuk keperluan peningkatan kemampuan atau kapasitas balok cellular, dimungkinkan adanya adding plate (pelat tambah) guna menambah ketinggian lubang pada balok cellular. f. Penelitian balok baja dengan bentuk lubang lain, seperti persegi dan lain-lain perlu dilakukan.

DAFTAR PUSTAKA Aglan, A.A., and Redwood, R. G., (1974) , Web buckling in castellated beams, Proceeding Institution Civil Enginners, London U.K., 57, Part 2, 304-320 Delesquez R., (1968) , Stabilility of web posts of castellted beams, Const. Metallique, Paris, France, No. 3 pp 26 33. Lawson RM, Oshatoghe D., and Newman GM, (2004), Design of FABSEC Cellular Beams in Non-Composite and Composite Aplications – For Both Normal Temperature and Fire Engineering Conditions to sci ad 269, Fabsec Limited Brookland Court Tunstall Road, UK. Nethercot, D.A.,(1982), Lateral-torsional buckling of castellated beams; The Structural Engineer, 60-B Zarrour W. and Redwood R.G ,(1996), Web Buckling in Thin Webbed Castellated Beams. Jnl. Structural Engineering, 122(8): 860-866


S-59

Struktur

S-60


STUDI KEGAGALAN GESER PADA WEB-POST BALOK BAJA CELLULAR

Recommend Documents