BAB III RANGKA KAKU (Rigid Frame)
B. Honeycomb (Castelled ) Beam
Konsep desain dari “open web” adalah memberikan tinggi maksimum kepada profil IWF strandard. Tinggi yang dihasilkan dari pembuatan “lubang” pada badan akan meningkatkan section modulus dan momen inersia, sehingga menghasilkan penampang yang lebih kuat dan kaku. Selain itu, dengan cara ini berat sendiri yang ditimbulkan akan berkurang (beratnya tetap pada profil awal) sehingga menimbulkan efek domino pada berat struktur secara menyeluruh.
Balok honeycomb dibuat dengan cara memotong secara zig – zag sepanjang garis netralnya. Lihat Gambar III.7.10. Pemotongan akan menghasilkan dua buah bagian yang sama, kemudian bagian - bagian tersebut saling disatukan tiap ujung – ujung potongannya. Hasilnya, balok yang ada akan memiliki tinggi yang lebih besar dibandingkan dari sebelumnya.
Memulai desain dengan balok IWF standar yang lebih ringan balok honeycomb dirancang untuk dapat memikul beban yang lebih besar. Untuk desain struktur bangunan
Gambar III.7.10 Honeycomb Beam.
Profil IWF dipotong sepanjang bentang
Kemudian disatukan kembali pada ujung – ujung potongannya untuk memperoleh profil yang lebih tinggi
pemanfaatan bagian lubang biasanya digunakan sebagai sistem pemipaan struktur, sistem jaringan kabel elektrikal, dan sistem jaringan kabel telekomunikasi , sehingga pipa – pipa dan kabel –kabel tidak mengurangi volume ruang dari struktur tersebut. Lihat Gambar III.7.11. Pada bangunan seperti hotel atau perkantoran jarak antara lantai dan plafond dapat dikurangi, sehingga menghasilkan ruangan yang lebih besar.
Selain pemanfaatan itu, balok “open web” ini juga menghasilkan sirkulasi udara untuk kebutuhan mesin – mesin untuk struktur pabrik.
Sistem pengelasan yang dilakukan pada balok castella sama halnya dengan sistem pengelasan pada balok tappered (non – prismatis), yaitu dengan penggunaan “semi- automatic” las lengkung. Dengan sistem ini badan penampang dapat 100% tersambung.
Jika pemotongan sepanjang bentang dilakukan dengan menggunakan kemiringan (seperti pada tappered beam), maka akan menghasilkan “tappered open-webí” . Lihat Gambar III.7.12. Cara ini dapat digunakan untuk melakukan penghematan material yang lebih besar lagi dibandingkan dengan cara tappered beam ataupun dengan honeycomb beam normal.
Gambar III.7.11 Bagian lubang pada Honeycomb Beam digunakan untuk sistem pemipaan dan jaringan kabel. [ Blodgett, Omer W, 1991.: Design Of Welded Structures.]
Dua “open-web” juga dapat disatukan bersama untuk digunakan sebagai kolom dengan momen inersia yang sangat besar antara sumbu x – x dan sumbu y –y. Lihat Gambar III.7.13. Sebagai pengkaku digunakan pelat kopel dengan jarak – jarak tertentu pada bagian ujung sayap profilnya.
Geometri dari Garis Potong Honeycomb Beam
Garis potong zig-zag dan bentuk geometri dari potongan badan akan menentukan hasil bentuk penampang yang akan diperoleh.
Gambar III.7.13 Kolom dengan menggunakan open-web.
Potong IWF sepanjang garis zig - zag
Balok “open-web”
Gambar III.7.13 Geometri dari Garis Potong Honeycomb
Sudut potong (Ø) memiliki besar antara 45º dan 70º, umumnya perencanaan besar sudut (Ø) adalah 45º dan 60º. Sudut ini haruslah cukup mampu menahan gaya geser horizontal sepanjang garis netral badan agar tidak melebihi batas kemampuan profil.
Jarak e mungkin akan bervariasi sesuai kebutuhan akan penempatan pipa dan kabel, dan/atau untuk jarak yang dibutuhkan untuk mengelas akibat adanya sudut lubang. Akibat dari jarak e dibesarkan, maka kemampuan layanan terhadap gaya geser ( D ) dan normal ( N ) sepanjang Tsection akan meningkat. Akan tetapi, ada batasan sepanjang apa jarak e dapat digunakan.
Kemampuan Layanan kepada Gaya yang Diberikan
Gambar III.7.14 Balok honeycomb dengan beberapa variasi sudut. [ Blodgett, Omer W, 1991.: Design Of Welded Structures.]
Fungsi sayap pada balok memikul sebagian besar dari beban dan gaya – gaya internal yang ada, kehilangan dari area badan tidak begitu mempengaruhi balok untuk memikul momen selama tinggi tampang cukup untuk menghasilkan inersia yang diperlukan. Sedangkan, geser ( D ) dan normal ( N ) yang dipikul pada badan harus diperhatikan (walaupun dalam perencanaan seluruh gaya – gaya internal ditampung oleh sayap). Pada setiap bagian badan yang bolong, dua Tsection akan berperan sebagai penahan gaya geser ( D ) dan gaya normal ( N ). Sehingga tinggi Tsection akan sangat berpengaruh terhadap kemampuan layanan terhadap gaya geser dan normal.
Pada tengah bentang “b” ( pada Gambar III.7.15 ), gaya geser sangat kecil (pada Mmaks, D = 0 ) dan mungkin hanya memiliki efek yang kecil terhadap kekuatan balok. Pada bagian “a” dimana geser yang ada besar, gaya geser yang ada haruslah dapat menahan gaya geser tersebut.
Kemampuan layanan terhadap geser seperti pada Gambar III.7.16, umumnya titik bengkok berada pada bagian atas dan bawah dari Tsection . Pada Tsection , dipengaruhi momen akibat geser (yang diasumsikan berada pada bagian tengah penampang, tepat berada di tengah lubang ), diasumsikan terbagi rata antara dua buah Tsection . Sebenarnya, desain dan perilaku terhadap geser pada “open-web” sama dengan Vierendeel truss.
Gambar III.7.15 Balok honeycomb dengan pembebanan terbagi rata.
Anggapan utama dalam melakukan desain balok honeycomb adalah :
• Bagian atas dan bawah pada balok diasumsikan menahan gaya tekan dan gaya tarik yang timbul dari pembebanan yang dilakukan. σ = M/Sb . Pada sepanjang bentang tetap diasumsikan gaya tarik dan tekan yang terjadi ditransfer pada bagian Tsection . Untuk dicatat, bahwa perlunya pengecekan untuk kemampuan layanan terhadap gaya – gaya lateral pada bagian Tsection ini, dan penyebaran gaya – gaya tersebut ke kedua bagian Tsection melalui sudut dan jarak yang dibentuk pada badan utuh ke badan yang memiliki lubang.
• Geser vertikal yang ditahan oleh bagian badan yang utuh dan bagian yang bolong. Tentunya bagian yang kritis adalah bagian yang mempunyai lubang. Oleh karena itu, analisa geser vertikal dilakukan pada bagian Tsection .
• Pada bagian lubang, geser vertikal (D) dibagi rata ke bagian atas dan bawah Tsection , asumsikan ketinggian Tsection adalah sama.
Gambar III.7.16 Analisa balok honeycomb yang menahan gaya geser (VT). [ Blodgett, Omer W, 1991.: Design Of Welded Structures.]
• Pada sepanjang bentang, momen inersia yang digunakan adalah momen inersia yang dihasilkan oleh dua buah bagian Tsection.
Tekuk pada badan akibat gaya geser
Ada dua metode yang dapat digunakan dalam melakukan pemeriksaan terhadap geser pada balok sepanjang garis netral :
• Dengan menggunakan persamaan yang umum terhadap gaya geser. Dengan mengasumsikan bagian badan penampang solid.
Kemudian meningkatkan besaran gaya geser yang terjadi dengan rasio panjang bagian badan yang utuh (s) dibandingkan dengan bagian badan yang berlubang (e).
Maka, akan diperoleh persamaan :
Gambar III.7.17 Gaya geser V1 dan V2 dibagi rata ke bagian Tsection atas dan Tsection bawah. [ Blodgett, Omer W, 1991.: Design Of Welded Structures.]
Gambar III.7.18 Rasio pengkali berdasarkan panjang s dibandingkan panjang e. [ Blodgett, Omer W, 1991.: Design Of Welded
• Menganggap bagian Tsection sebelah atas cukup mampu menahan gaya geser sebagai bagian yang bebas dari balok. Perbedaannya pada metode ini gaya geser yang diterima pada ujung bagian segmen ditransfer menjadi gaya geser pada garis netral pada sepanjang bentang. Lihat Gambar III.7.19.
Dengan mengsubstitusikan :
Gaya geser horizontal ini kemudian dipecah dengan area netto dari bagian badan penampang (e dan
t
w) untuk mendapatkan gaya geser ultimate terhadap profil.Dengan menggunakan free body pada Gambar III.7.19, ambil momen pada titik y.
atau,
Gambar III.7.19 Gaya geser (V) yang diterima ditransferkan menjadi gaya geser horizontal pada garis netral
Asumsikan, gaya geser vertikal rata – rata pada titik y menjadi :
sehingga,
Garis Besar Umum untuk Mendesain Balok Open-Web
Desain dari balok open – web dapat dirumuskan dengan langkah – langkah dibawah.
• Asumsikan perbandingan momen inersia yang dirancang akan sebesar 1.5 normal. Ini bukanlah sebuah faktor keamanan rancangan yang akan dibuat. Kemudian pilih profil IWF standar yang memiliki momen inersia diantara momen inersia perlu dengan momen inersia standar rancang minimum. Untuk mengetahui hubungan dari balok
open – web yang dirancang dengan standard dipakai perbandingan K1.
• Berdasarkan koefisien K1 , dapat ditentukan tinggi bagian lubang minimum yang harus didesain.
• Periksa dengan kemampuan tinggi tampang Tsection minimum dengan gaya geser vertikal yang terjadi.
Dianggap Tsection sepenuhnya memikul gaya geser vertikal. Dimana berdasarkan perhitungan sebelumnya diperoleh :
• Tentukan lebar potongan (e) minimum. Dengan terlebih dahulu menentukan besaran sudut zig – zag profil (antara 45º dan 70º).
Dimana K2 adalah koefisien dari persamaan :
* = dapat diasumsikan bahw gaya geser ( V ) yang terjadi sekitar 95 % dari maksimum nya, karena lubang panel pertama akan berada relatif jauh dari tumpuan.
Gambar III.7.21 Penentuan tinggi Tsection minimum.
• Setelah diperoleh profil “open – web” yang dirancang. Inersia profil dapat ditentukan. Inersia yang dipakai seperti yang diuraikan sebelumnya adalah inersia pada bagian badan yang berlubang ( dua Tsection ).
• Setelah semua kontrol gaya – gaya yang terjadi dilakukan dengan menggunakan kontrol IWF standard. Periksa tumpuan dari akibat gaya geser yang terjadi.
Jumlah Lubang dan Panjang Hasil Desain Balok Honeycomb
Seringkali pada bagian tepi (tumpuan) terjadi lubang yang tidak diinginan pada saat melakukan konstruksi. Lubang yang terjadi biasanya terletak pada bagian tumpuan dari bentang. Teknik penghilangan lubang tersebut dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu dengan mengisi kekosongan lubang yang dibutuhkan memakai pelat atau mengubah metode pemotongan yang dilakukan. Pengisian lubang dengan cara memakai pelat tentunya dapat diasumsikan juga sebagai penambahan kekuatan diujung bentang (tumpuan). Lihat Gambar III.7.23. Perkiraan jumlah lubang yang terjadi (n) pada balok dengan panjang Lb dan panjang
bentang hasil desain Lg dapat diketahui dengan menggunakan rumus yang terdapat pada gambar.
Metode kedua adalah, penggunaan besar lubang yang tidak seragam. Hal ini dimaksudkan agar tidak terjadi penambahan pelat pada kedua ujungnya. Pemanjangan bagian e (agar lubang sesuai dengan panjang rencana) haruslah pada titik dimana gaya geser vertikal minimum. Ini dimaksudkan agar pemodifikasian panjang e tidak berpengaruh pada analisa sebelumnya. Lihat Gambar III.7.24.
Gambar III.7.23 Pengerjaan honeycomb beam secara konvensional yang menimbulkan lubang pada salah satu ujung balok.[ Blodgett, Omer W, 1991.: Design
Of Welded Structures.]
Dapat dilihat pada gambar, pada bagian tengah rancang mempunyai panjang lubang yang berbeda. Dengan cara ini juga lebar bentang tetap pada lebar profil IWF awal (tidak terjadi kehilangan panjang bentang).
Gambar III.7.23 Sebuah Balok Honeycomb yang memiliki lubang yang tidak seragam.