Studi Perbandingan Berbagai Jenis Sambungan Kaku Dengan Menggunakan Balok Reduced Beam Section

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-7

1

Studi Perbandingan Berbagai Jenis Sambungan Kaku Dengan Menggunakan Balok Reduced Beam Section Rachmat Putra Juniazhar, Budi Suswanto Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: [email protected]

Abstrak—Gempa Bumi Northridge (1994) dan Kobe (1995) yang menyebabkan kegagalan meluas pada sambungan Struktur Rangka Baja Pemikul Momen, muncullah beberapa desain sambungan baja yang dianggap lebih baik daripada sambungan baja konvensional sehingga membuat struktur lebih daktail, salah satunya sambungan kaku dengan penampang balok Reduced Beam Section (RBS) yang dianggap paling ekonomis dan praktis untuk struktur baja. Sambungan kaku dengan menggunakan balok reduced beam section sendiri sudah banyak diteliti pada profil WF baja Amerika, namun masih jarang yang menelitinya menggunakan profil HE baja Eropa. Paper ini bertujuan membandingkan perilaku 3 jenis sambungan kaku (Tconnection, extended end plate, dan welded rigid connection) berpenampang balok RBS-radius cut pada beberapa jenis profil HE baja Eropa dan dibebani secara monotonik, serta dianalisa menggunakan program bantu analisis finite element. Dari penelitian ini didapat bahwa sambungan end plate dan sambungan las biasa model penelitian sebelumnya memiliki perilaku yang mirip, sementara sambungan welded rigid memiliki kekakuan yang lebih baik dengan pengurangan tegangan sebesar 2-18% dan pengurangan displacement sebesar 3-9%. Dan sambungan T-connection merupakan sambungan yang paling kaku dari ketiga jenis sambungan lainnya dengan pengurangan tegangan sebesar 18-40% dan pengurangan displacement sebesar 7-14% dibandingkan dengan model sambungan penelitian sebelumnya. Serta diketahui pula bahwa ukuran profil balok RBS tidak mempengaruhi perilaku kekakuan sambungan. Kata Kunci— sambungan kaku, Reduced Beam Section, radius cut, sambungan las, sambungan baut.

I. PENDAHULUAN

G

EMPA bumi Northridge (1994) dan Kobe (1995) yang menyebabkan kegagalan meluas pada sambungan Struktur Rangka Baja Pemikul Momen membuat para engineering beranggapan bahwa sambungan struktur baja balok-kolom konvensional (las, baut, dan paku keling) tidaklah sekuat yang dipercaya sebelumnya sehingga struktur baja menjadi tidak daktail [1]. Sambungan yang kaku (rigid)

menyebabkan rotasi pada balok berkurang, karena sambungan bisa menahan momen. Dua konsep kunci yang digunakan untuk mendapatkan daktilitas tinggi pada struktur rangka baja tersebut adalah memperkuat sambungan dan/atau melemahkan balok, dengan tujuan mendapatkan konsep ‘Strong Column Weak Beam’ [2]. Oleh karena itu, beberapa ide dan desain baru untuk mendapatkan sambungan baja balok-kolom yang membuat struktur lebih daktail mulai bermunculan. Dari beberapa desain yang ada, salah satunya adalah sambungan dengan menggunakan balok Reduced Beam Section (RBS) yaitu mereduksi bagian balok baja di dekat sambungan yang bermaksud untuk mengurangi kapasitas balok agar terjadi sendi plastis pada balok di daerah RBS. Dan dari hasil beberapa percobaan, sambungan dengan penampang RBS menunjukkan hasil yang memuaskan pada tingkat daktilitas dan hal itu dapat diterima oleh berbagai macam kalangan dalam waktu yang singkat [3]. Tipe sambungan baja berpenampang Reduced Beam Section (RBS) telah banyak digunakan dalam beberapa tahun terakhir ini, tetapi masih ada beberapa hal yang harus diteliti lebih lanjut. Terlebih adalah desain yang digunakan untuk meningkatkan daktilitas dan penyerapan energi dari sambungan struktur [4]. II. METODE PENELITIAN Dalam paper ini akan menganalisis 3 desain sambungan kaku (T-connection, extended end plate, dan welded rigid connection) dengan menggunakan balok Reduced Beam Section (RBS) pada profil HE baja Eropa yang masih jarang diteliti (Tabel 1) dengan pemotongan sayap 50% mengikuti aturan dari FEMA 350 dan EC8 (Tabel 2). Desain RBS (Tabel 3) yang digunakan adalah tipe radius cut (Gambar 1) yang mana dengan pemotongan bersudut, retak akan cenderung berkembang ketika balok dikenakan kekuatan yang besar dan memiliki kapasitas rotasi yang paling besar dibanding pemotongan secara lurus [5], barulah kemudian didesain sambungan kakunya dan dimodelkan serta dianalisis menggunakan program bantu analisis finite element, kemudian membandingkannya dengan penelitian sebelumnya yang telah

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-7

2

Tabel 1. Dimensi balok dan kolom Dimensi

Balok 1 (HE200A) Balok 2 (HE220A) Balok 3 (HE240A) Kolom (HE300B)

Depth Width

Thickness

r (mm)

Tabel 3. Desain reduced beam section A (cm2)

W (kg/m)

tf tw (mm) (mm)

h (mm)

b (mm)

190

200

6.5

10

18

53.8

42.3

210

220

7

11

18

64.3

50.5

230

240

7.5

12

21

76.8

60.3

300

300

11

19

27

149.1

117

Tabel 2. Aturan FEMA 350 dan EC 8 [6, 7] FEMA 350 [1] / 351 [12] EC 8. Part 3 [13] a = 0.60 bf a = 0.50 – 0.75 bf b = 0.65 -0.85 db b = 0.75 db g ≤ 0.25 bf c ≤ 0.25 bf s = a + b/2 s = a + b/2 r = (4g2 + b2) / 8g r = (4c2 + b2) / 8c

dilakukan oleh D.T. Pachoumis et al. (2009) yang menggunakan sambungan las penuh dengan pelat pada badan kolom, untuk mendapatkan desain sambungan kaku berpenampang RBS yang paling optimum. Pemodelan sambungan kaku dan balok RBS yang diteliti dapat dilihat pada Gambar 2.

Dimensi

Balok I (HE200A) Balok 2 (HE220A) Balok 3 (HE240A)

r (mm)

Zx (mm )

Z RBS 3 (mm )

10

18

406962.5

226962.5

7

11

18

543432

302642

7.5

12

21

707407.5

393487.5

Depth

Width

db (mm)

bf RBS (mm)

tw (mm)

tf (mm)

190

100

6.5

210

110

230

120

Thickness

III. HASIL PENELITIAN Dari hasil analisis kapasitas balok RBS , kemudian didesain sambungannya (T-Connection, Extended End Plate Connection, dan Welded Rigid Connection), seperti pada lampiran. Ketiga desain sambungan pada 3 jenis profil balok dimodelkan dan dianalisis menggunakan program bantu analisis finite element, kemudian model penelitian dibebani secara monotonik, hingga balok RBS mengalami kelelehan. Dari hasil analisis yang telah dikumpulkan (Tabel 4 dan Gambar 3, 4, dan 5) dapat diketahui bahwa konsep RBS yang diinginkan terbukti terjadi, yaitu terjadi sendi plastis pada daerah RBS yang telah direncanakan. Sementara pada lokasi sambungan (5 cm di depan kolom) dan 75 cm di depan kolom tidak terjadi kelelehan (Gambar 6). Hasil ini sangat baik dan menunjukkan kekakuan dari sambungan. Diketahui pula bahwa model sambungan extended end plate dan model sambungan las biasa dari penelitian sebelumnya (D.T. Pachoumis et al., 2009), memiliki kemiripan dalam hal

898.5

1000

Pelat badan 460x268x12

(a)

3

200

Applied Load a

b

Stiffener dbx12bfx12

Balok

1797 Pelat menerus 262x130x12

898.5

Applied Load 1200

Kolom

(b) Gambar. 1. (a) Bentuk-bentuk balok reduced beam section, (b) Geometri balok reduced beam section (sumber : DT. Pachoumis, 2009)

Gambar. 2. Pemodelan pengetesan balok reduced beam section

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-7

Profil Balok Balok 1 (HE200A)

Balok 2 (HE220A)

Balok 3 (HE240A)

3

Tabel 4. Hasil analisa perbandingan tegangan dan displacement Kondisi di 5 cm di depan kolom (sambungan) saat RBS leleh Jenis Sambungan Kode Pengurangan Pengurangan U12 (mm) σ (N/mm2) tegangan (%) displacement (%) T-Connection TC-200 63.414 31.52 0.186 14.68 Extended End Plate Connection EP-200 92.185 0.45 0.218 0.00 Welded Rigid Connection WR-200 89.937 2.88 0.199 8.72 D.T. Pachoumis (2009) DT-200 92.606 0.00 0.218 0.00 T-Connection TC-220 60.301 40.67 0.242 9.70 Extended End Plate Connection EP-220 101.574 0.07 0.266 0.75 Welded Rigid Connection WR-220 82.621 18.71 0.257 4.10 D.T. Pachoumis (2009) DT-220 101.643 0.00 0.268 0.00 T-Connection TC-240 96.297 18.16 0.286 9.49 Extended End Plate Connection EP-240 116.541 0.96 0.313 0.95 Welded Rigid Connection WR-240 111.057 5.62 0.301 4.75 D.T. Pachoumis (2009) DT-240 117.669 0.00 0.316 0.00

(a)

(b)

(c) Gambar. 3. (a) Hasil dari perbandingan tegangan-regangan danterjadi displacement pada RBS balok HE200A di lokasi sambungan, (b) Hasil perbandingan tegangankekakuan, dilihat tegangan-regangan yang hampir regangan dan displacement pada RBS balok HE200A di lokasi pusat RBS, (c) Hasil perbandingan tegangan-regangan dan displacement pada RBS balok HE200A di lokasi 75 cm di depan kolom.

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-7

4

(a)

(b)

(c) Gambar. 4. (a) Hasil perbandingan tegangan-regangan dan displacement pada RBS balok HE220A di lokasi sambungan, (b) Hasil perbandingan teganganregangan dan displacement pada RBS balok HE220A di lokasi pusat RBS, (c) Hasil perbandingan tegangan-regangan dan displacement pada RBS balok HE220A di lokasi 75 cm di depan kolom.

kekakuan, dilihat dari tegangan-regangan yang terjadi hampir sama, yaitu pada profil HE-200A, tegangan di lokasi sambungan sebesar 92.185 N/mm2 dan 92.6064 N/mm2, pada profil HE-220A, tegangan sebesar 101.57 N/mm2 dan 101.643 N/mm2, sementara pada profil HE-240A, tegangan sebesar 116.54 N/mm2 dan 117.66 N/mm2. Dan displacement yang terjadi pun hampir sama, yaitu sebesar 0.218 mm pada profil HE-200A, dan sebesar 0.268 mm pada profil HE-220A, serta sebesar 0.31 mm. Sambungan welded rigid diketahui lebih kaku daripada end plate connection dan model penelitian sebelumnya, yaitu

menghasilkan tegangan lebih kecil dan displacement lebih kecil pula, yaitu sebesar 89.93 N/mm2 untuk tegangan dan 0.19 mm untuk displacement lebih kecil dari model penelitian sebelumnya pada di lokasi sambungan untuk profil HE-200A, dan sebesar 82.62 N/mm2 untuk tegangan dan 0.25 mm untuk displacement pada profil HE-220A, dan sebesar 111.057 N/mm2 untuk tegangan dan 0.34 mm untuk displacement pada profil HE-240A. Sambungan T merupakan sambungan yang memiliki kekakuan paling besar dibandingkan ketiga jenis sambungan lainnya, yaitu menghasilkan tegangan paling kecil dan

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-7

5

(a)

(b)

(c) Gambar. 5. (a) Hasil perbandingan tegangan-regangan dan displacement pada RBS balok HE240A di lokasi sambungan, (b) Hasil perbandingan teganganregangan dan displacement pada RBS balok HE240A di lokasi pusat RBS, (c) Hasil perbandingan tegangan-regangan dan displacement pada RBS balok HE240A di lokasi 75 cm di depan kolom.

displacement paling kecil pula, yaitu sebesar 63.414 N/mm2 untuk tegangan dan 0.18 mm untuk displacement lebih kecil dari model penelitian sebelumnya pada lokasi sambungan untuk profil HE-200A, dan sebesar 60.3 N/mm2 untuk tegangan dan 0.24 mm untuk displacement pada profil HE220A, dan sebesar 96.29 N/mm2 untuk tegangan dan 0.28 mm untuk displacement pada profil HE-240A. Dari hasil ini maka dapat dikatakan pula bahwa perilaku sambungan pada ukuran profil yang berbeda tidak akan berubah [8].

IV. KESIMPULAN Dari hasil pemodelan dan analisis hasil yang telah dijelaskan, maka dapat disimpulkan sebagai berikut : 1. Perilaku sambungan extended end plate dan penelitian sebelumnya hampir mirip dalam hal tegangan-regangan maupun displacement pada semua jenis profil. 2. Sambungan welded rigid lebih kaku daripada end plate connection dan model penelitian sebelumnya, yaitu

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-7

6

a 4 - Ø 25 RBS 4 - Ø 22 Profil L 70 x 70 x 7 2 - Ø 22

1 - Ø 22

332

4 - Ø 22 4 - Ø 25

(a)

Balok HE200A

Profil T 130 x 131 x 11 x 15

200 300

a

Kolom HE300B

Potongan a - a

(a)

a t plat = 12 mm RBS

29 67

(b) Gambar. 6. (a) Pemodelan dengan program bantu finite element, (b) Hasil analisis dengan program bantu finite element

8 - Ø 19

113 67 29

Balok HE200A

menghasilkan pengurangan tegangan sebesar 2-18% dan pengurangan displacement sebesar 4-8%. 3. Sambungan T merupakan sambungan yang memiliki kekakuan paling besar dibandingkan ketiga jenis sambungan lainnya, yaitu menghasilkan pengurangan tegangan sebesar 18-40% dan pengurangan displacement sebesar 9-14%. 4. Dari hasil yang didapat, maka perilaku sambungan akan tetap sama meskipun digunakan ukuran profil balok RBS yang berbeda atau ukuran balok tidak mempengaruhi perilaku kekakuan dari sambungan.

a

Kolom HE300B

200 300 Potongan a - a

(b)

a RBS Profil L 80 x 80 x 14 1 - Ø 22

190

Balok HE200A

LAMPIRAN

a

Kolom HE300B

200 300 Potongan a - a

(c) Gambar. 7. (a) Desain sambungan T pada balok HE200A, (b) Desain sambungan extended end plate pada balok HE200A, (c) Desain sambungan welded rigid pada balok HE200A

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-7

7

a 4 - Ø 32

a 4 - Ø 29 RBS

4 - Ø 25

4 - Ø 22

Profil L 90 x 90 x 9 Profil L 75 x 75 x 7

2 - Ø 25

2 - Ø 29

1 - Ø 25

1 - Ø 29

393

354

4 - Ø 25

4 - Ø 22 Balok HE220A 4 - Ø 29

Profil T 156 x 150 x 13 x 20

Profil T 143 x 132 x 12 x 19 220 300

a

Kolom HE300B

Balok HE240A 4 - Ø 32 240 300 a

Kolom HE300B

Potongan a - a

Potongan a - a

(a) (a) a t plat = 14 mm

a

RBS

t plat = 13 mm RBS

33

33

78

77

8 - Ø 22

8 - Ø 22

140 362

122 342

78

77 Balok HE220A

Balok HE240A

33

33 240 300

220 300

a

Kolom HE300B

a

Kolom HE300B

Potongan a - a

Potongan a - a

(b)

(b)

a

a

RBS

RBS

Profil L 90 x 90 x 16

Profil L 90 x 90 x 16

1 - Ø 25

210

1 - Ø 29

Balok HE220A

Balok HE240A

220 300

a

Kolom HE300B

230

a

Kolom HE300B Potongan a - a

240 300 Potongan a - a

(c)

(c)

Gambar. 8. (a) Desain sambungan T pada balok HE220A, (b) Desain sambungan extended end plate pada balok HE220A, (c) Desain sambungan welded rigid pada balok HE220A

Gambar. 9. (a) Desain sambungan T pada balok HE240A, (b) Desain sambungan extended end plate pada balok HE240A, (c) Desain sambungan welded rigid pada balok HE240A [4]

DAFTAR PUSTAKA [1] [2]

[3]

Davis, G., "Steel Moment-frame Buildings: The Saga Continues", Part II, Structural Engineer, June 2001. D. T. Pachoumis, E. G. Galoussis, C. N. Kalfas, A. D. Christitsas, "Reduced Beam Section Moment Connections Subjected to Cyclic Loading: Experimental Analysis and FEM Simulation", 2009. Chen, S. J., Yeh, C. H., and Chu, J. M.,“Ductile steel beam-to-column connections for seismic resistance.” J. Struct. Engrg., ASCE, 122(11), 1292-1299, 1996.

[5]

[6] [7] [8]

Iwankiw, N., “Ultimate strength consideration for seismic design of the reduced beam section (internal plastic hinge).” Engrg. J. 34(1), 3-16, 1997. Engelhardt MD, Sabol TA. Seismic-resistant steel moment connections: developments since the 1994 Northridge earthquake. J Prog Struct Eng Mater ;1(1):68_77, 1997. FEMA 350. Recommended seismic design criteria for new steel moment-frame buildings. Washington (DC), 2000. EC 8, Part 3: Design of structures for earthquake resistance. Assessment and retrofitting of buildings. EN 1998-3: June 2005E. R. P. Juniazhar, Studi Perbandingan Berbagai Jenis Sambungan Kaku Dengan Menggunakan Balok Reduced Beam Section. Tugas Akhir, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, 2012.