KAJIAN EXPERIMENTAL DAN TEORITIS EFEK BEBAN KERJA TIDAK DI PUSAT GESER, TERHADAP LATERAL BUCKLING PADA BALOK KANTILEVER STRUKTUR BAJA. TESIS.

(1)

KAJIAN EXPERIMENTAL DAN TEORITIS EFEK BEBAN KERJA

TIDAK DI PUSAT GESER, TERHADAP LATERAL BUCKLING

PADA BALOK KANTILEVER STRUKTUR BAJA.

TESIS

Oleh

TORANG SITORUS

077016010 / TS

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

KAJIAN EXPERIMENTAL DAN TEORITIS EFEK BEBAN KERJA

TIDAK DI PUSAT GESER, TERHADAP LATERAL BUCKLING

PADA BALOK KANTILEVER STRUKTUR BAJA.

TESIS

Diajukan sebagai salah satu syarat memperoleh gelar Magister Teknik dalam Program Studi Magister Teknik Sipil

pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

Oleh

TORANG SITORUS

077016010 / TS

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(3)

Judul Tesis : KAJIAN EXPERIMENTAL DAN TEORITIS EFEK

BEBAN KERJA TIDAK DI PUSAT GESER, TERHADAP LATERAL BUCKLING PADA BALOK KANTILEVER STRUKTUR BAJA

Nama Mahasiswa: Torang Sitorus Nomor Pokok : 077016010

Program Studi : Magister Teknik Sipil

Menyetujui: Komisi Pembimbing,

(Dr. Ing. Hotma Panggabean) (

Ketua Anggota

Ir.Daniel Rumbi Teruna, MT)

Ketua Program Studi, Dekan,

(Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE) (Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME)

(4)

Telah diuji pada:

Tanggal 21 Desember 2010

________________________________________________________________________

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua : Dr. Ing. Hotma Panggabean

Anggota : Dr.Ing. Johannes Tarigan : Dr. Ir. Bachrian Lubis, MSc : Ir. Sanci Barus, MT

: Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT : Ir. Rudi Iskandar, MT.

(5)

ABSTRAK

Konstruksi baja adalah bangunan yang dirangkai dari batang batang bahan baja dan umumnya berpenampang langsing dan berdinding tipis, disebabkan sifat-sifat kekuatan yang tinggi dan keliatannya (ductility) bahan baja adalah bahan yang mahal. Pada struktur balok dengan menggunakan strip beam, yang merupakan balok dinding tipis tampang terbuka, ketika terjadi aksi beban sampai kondisi beban kritis yang menjadi daya tahan struktur tersebut terhadap lateral buckling hanya dipikul oleh web (badan), dan besarnya sangat rendah dibanding arah sumbu kuatnya ( sb- x ). Pembuatan sayap

(flens), akan menyebabkan peningkatan konstanta warping (Iw), sehingga beban yang

dapat dipikul oleh balok terhadap lateral buckling menjadi bertambah, dan daya tahan balok terhadap pembebanan mengalami peningkatan. Disini dapat dilihat bahwa kondisi awal tampang tanpa flens dan seterusnya penambahan flens yang semakin besar akan semakin besar pula pertambahan kekuatan lateral buckling balok tersebut, demikian juga sejajar dengan hal ini tentang beban yang diposisikan di atas, di pusat geser atau di bawah balok akan mengalami perbedaan yang signifikan sebanding dengan parameter Inersia warping yang semakin besar akan memperbesar perbedaan besar beban yang dapat ditahan balok tersebut pada posisi di atas dan di bawah. Apabila beban di atas balok maka akan ada pertambahan momen sebesar Pcr.½.β.h yang memperlemah balok tersebut.dan sebaliknya apabila posisi beban ada di bawah balok akan diperkuat sebesar di atas tadi dan pengurangan/pertambahan ini akan tergantung pada faktor Iω.(konstanta warping).

Maka penelitian ini akan membuktikan fenomena stabilitas tersebut di atas. Dengan memilih kasus balok kantilever baja tampang double simetris yang langsing di mana (ly <<Ix) dengan beban vertikal tertentu, perilaku struktur yang dibebani akan mengalami deformasi, di samping deformasi vertikal juga akan terjadi deformasi lateral dan lebih lanjut terjadi lateral buckling. Untuk mengetahui perilaku dan kemampuan balok dalam memikul beban, secara teoritis dan praktis telah dilakukan perhitungan dan percobaan eksperimental dengan merancang peralatan pembebanan dan benda uji secara manual melalui proses pengelasan terhadap benda uji, strip beam 150 x 4-1600mm; I Beam 150 x 40 x 4 - 1600mm dan I Beam 150 x50x 4-1600mm. Masing masing benda uji di atas akan diuji dengan sentuhan beban di atas flens, di pusat geser dan di bawah flens. Variasi ini dilakukan agar terlihat apakah ketahanan lateral buckling terjadi pada besar beban yang berbeda lebih dahulu atau setelah beban berdasarkan kejadian elastis. Dan hasil pengujian ternyata benda uji strip beam telah mencapai beban kritis pada kondisi tegangan elastis, sedangkan benda uji I Beam perolehan beban kritis telah melampaui kondisi tegangan elastis, namun masih berada di bawah tegangan leleh baja.

Kata kunci : Balok baja, Tekuk lateral, Beban tak di pusat geser

(6)

ABSTRACT

Steel construction is a building constructed from still bars with slim profile and thin wall. Because of its remarkable strength and ductility, steel is an expensive material. In a block structure with strip beam, a thin wall beam with open profile, the load action up to the critical load condition which becomes the durability of the structure toward the lateral buckling is only supported by web, and compared to its strong axis direction (sb – x), the amount of the load is very low. The making of flens will result in an increase of constant warping (Iω) that the load can be supported by the beam toward the lateral buckling increases and the durability of the beam toward the load is increasing. Here we can see that the initial condition of profile without flens, and the bigger the number of flens, the bigger the lateral strength of the buckling block. The same thing occurred with the load positioned either on the beam, in the center of shift, or under the beam will show a significant difference compatible to the parameter. The increasing inertia warping will maximize the difference of amount of load that can be supported by the beam at the above or below position. If the load is on the beam there will be an additional moment for Pcr.½ β.h which weakens the beam and on the contrary, if the position of load is under the beam, the beam will be strengthened for the amount mentioned above and this subtraction/addition will depend on the factor of Iω (constant warping). This study will prove the stability phenomenon mentioned above. By choosing the case of steel cantilever beam with slim double symmetrical profile, where (ly << Ix) with a certain vertical load, the behavior of loaded structure will experience a deformation; vertical and lateral deformations and further lateral buckling occurs. To know the behavior and capability of the beam in supporting the load, theoretically and practically, a calculation and experimental study to design a loading equipment and a test material have been done manually through a process of welding the test material; strip beam 150 x 4 – 1600 mm; I beam 150 x 40 x 4 – 1600 mm. Each of the test materials mention above will be tested with load touch on the flens, in the center of shift, or under the flens. This variation was done to see whether the durability of lateral buckling occurred on the different amount of load first or after the test material was loaded based on the elastic occurrence. The result of the test showed that strip beam, the test material, had reached the critical load at the elastic tension condition, while I Beam, another test material, reached the critical load after passing the elastic tension condition, but it was still under steel melting tension.

Keywords : Steel beam, Lateral buckling, on off shear centre load

(7)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang Maha Pengasih dan Maha Penyayang atas limpahan rahmat dan karuniaNya, yang telah memberikan kesempatan, kekuatan, dan kesehatan, sehingga penulisan tesis yang berjudul: “Kajian experimental dan

teoritis efek beban kerja tidak di pusat geser terhadap lateral buckling pada balok kantilever struktur baja”, dapat diselesaikan tepat pada waktunya. Sejak awal

perkuliahan sampai proses penulisan dan pelaksanaan tesis ini banyak pihak yang telah turut menyumbangkan pikiran, saran, motivasi, materi dan spiritual. Dalam kesempatan yang baik ini ucapan terima kasih yang setulus-tulusnya disampaikan kepada:

Bapak Dr. Ing. Hotma Panggabean sebagai Ketua Tim Komisi Pembimbing dan Bapak Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT sebagai Pembimbing, telah memberikan perhatian penuh sejak awal penulisan proposal, penelitian hingga selesainya penulisan tesis ini. Bapak Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan, Bapak Prof. Dr. Ir. Bachrian Lubis, MSc, Bapak Ir. Sanci Barus, MT, yang menjadi pembanding dan penguji telah memberikan saran-saran dan koreksi untuk memperluas bahasan serta bekal pengetahuan konstruksi baja.

Bapak Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE sebagai Ketua Program Studi Magister Teknik Sipil USU. Bapak Ir. Rudi Iskandar, MT, selaku Sekretaris Program Studi Magister Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara, tak pernah surut memberi dorongan dan nasehat.

Bapak Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu, DTM&H, MSc (CTM) Sp.A(K) selaku Rektor Universitas Sumatera Utara, Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, Pemerintah Republik Indonesia, khususnya BPPS Dikti, yang telah memberikan bantuan beasiswa selama masa

(8)

pendidikan di Program Pasca Sarjana Universitas Sumatera Utara. Secara khusus bapak bapak staf pengajar Fakultas Teknik sipil USU, khusus nya bapak Ir.Besman Surbakti MT yang telah banyak memberikan saran sehingga tulisan ini menjadi lebih baik. Seluruh Dosen dan Staf Program Studi Magister Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara. Seluruh rekan Mahasiswa Program Magister Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara umumnya dan khusus nya angkatan ke 7 tahun 2007/2008.

Isteri dan Anak-anakku tercinta, yang telah memberikan dukungan selama masa pendidikan di Universitas Sumatera Utara. Mereka yang tidak dapat disebutkan satu persatu identitasnya, yang secara langsung ataupun tidak langsung telah memberikan kontribusinya selama pendidikan di Program Magister Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara. Saya sadari bahwa, sebagai manusia biasa tentu tidak akan pernah memperoleh solusi yang sempurna atas usaha dan karyanya, oleh karena itu kepada pejuang ilmu pengetahuan di masa yang akan datang, semoga dapat memberikan peningkatan dan pencerahan kembali terhadap khasanah ilmu pengetahuan yang pernah ada, sehingga diperoleh sesuatu yang berharga bagi kemajuan Ilmu Pengetahuan dan Teknologi dan kejayaan Bangsa Indonesia. Terima Kasih.

Medan, 21 Desember 2010

(Torang Sitorus)

077 016 010/TS

(9)

RIWAYAT HIDUP

A. DATA PRIBADI

Nama : Torang Sitorus

Tempat Tangga Lahir : Porsea, Taput, 02 Oktober 1957 Alamat : Jln.Pengilar XI No.9 Medan Agama : Kristen Protestant

Anak ke- : 12 (dua belas) Jenis Kelamin : Laki-laki

B. RIWAYAT PENDIDIKAN

- SR (Negri Siraituruk Porsea) : 1964 - 1969 - SMP (Negri Siraituruk Porsea) : 1970 - 1972 - STM HKBP (4 tahun) (P.Siantar) : 1973 - 1976 - Fakultas Teknik Jurusan Sipil USU : 1977 - 1985 - Magister Teknk Sipil Program Pascasarjana USU : 2007 – 2010

C. RIWAYAT PEKERJAAN

- Manager Teknik Sipil di PT.Tulung Agung Medan, sejak tahun 1987-1990 - Manager Teknik Sipil di PT.Torganda Medan,tahun 1990-1996

- Menjadi staf pengajar / dosen di Fakultas Teknik Sipil di Unversitas Sumatera Utara sejak tahun 1986.

- Sekarang memberi mata kuliah Struktur Bangunan Sipil dan Konstruksi Baja di Fak.Teknik Jurusan.Sipil USU Medan.

(10)

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK ... i

ABSTRACT ... ii

KATA PENGANTAR ... iii

RIWAYAT HIDUP... v

DAFTAR ISI ... vi

DAFTAR GAMBAR ... ix

DAFTAR TABEL ... xii

DAFTAR LAMPIRAN ... xiii

DAFTAR NOTASI ... xiv

BAB I PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar belakang ... 1 1.2 Permasalahan ... 3 1.3 Landasan teori... 5 1.4 Tujuan penelitian... 5 1.5 Manfaat penelitian... 6

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 7

2.1 Pengantar ... 7

2.1.1 Umum ... 7

2.1.2 Klassifikasi dan idealisasi suatu konstruksi ... 7

2.2 Konsep teori karakteristik material baja ... 9

2.3 Konsep teori stabilitas struktur ... 10

2.4 Elastisitas yang linier ... 12

2.5 Properti penampang baja ... 15

2.6 Tegangan elastis akibat momen lentur pada penampang ... 18

2.7 Tegangan akibat gaya lintang pada penampang ... 21

(11)

2.8 Tegangan akibat gaya torsi pada penampang ... 24

2.9 Metode Energy ... 30

2.9.1 Pendahuluan ... 30

2.9.2 Energi regangan, U (Strain energy) ... 31

2.9.3 Energi potensial, V (Potensial energy) ... 33

2.9.4 Fungsi hampiran (shape function) ... 35

2.10 Tekuk lateral pada balok kantilever ... 36

2.11 Metode energy dan Metode numeric pada balok kantilever . 38

2.12 Tekuk lateral pada balok I diatas dua tumpuan sederhana ... 40

2.13 Tekuk lateral pada balok kantilever I di atas tumpuan jepit- bebas ... 46

2.14 In-Elastic buckling dan tegangan residu ... 51

BAB III METODE PENGUJIAN ... 52

3.1 Pemeriksaan fisik benda uji ... 52

3.2 Pembuatan tumpuan dan rangka dial indikator ... 52

3.3 Pembuatan benda uji ... 55

3.4 Pembebanan dan tuas penggantung beban ... 56

3.5 Pengujian ... 58

3.6 Hasil pengujian ... 60

BAB IV ANALISA HASIL PANGUJIAN DAN PEMBAHASAN... 62

4.1 Hasil laboratorium pengujian mutu baja bahan uji ... 62

4.2 Perhitungan Pcr (beban kritis) dengan teoritis ... 62

4.3 Hasil Pengujian Laboratorium untuk lateral buckling …... 68

4.3.1 Benda uji balok kantilever Strip Beam 150 x 4 – 1600 mm ... 68

4.3.2 Benda uji Balok Kantilever I Beam 150 x 40 x 4 – 1600 mm ... 71

4.3.3 Benda uji Balok Kantilever I Beam 150 x 50 x 4 – 1600 mm ... 74

(12)

4.4 Perbedaan perolehanhasil pengujian Pcr pada struktur balok kantilever akibat letak posisi sentuh beban yang

berbeda ...………... 76

4.5 Perbedaan tegangan pada saat Pcr terjadi pada eksperimen dan teoritis... 79

4.6 Tegangan izin elastis untuk perencanaan menurut PPBBI’ 1983 ……... 81

4.7 Penyimpangan/bias hasil antara nilai eksperimen dan nilai teoritis …... 82

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 84

5.1 Kesimpulan ... 84

5.2 Saran saran ... 85

DAFTAR PUSTAKA ... 86

LAMPIRAN ... 87

(13)

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman

1.1 Beban mesin katrol pada balok I ... 1

1.2 Lateral buckling dan putaran sudut profil I & posisi kontak beban berbeda ... 2

2.1 Contoh idealisasi komponen struktur ... 8

2.2 Contoh konstruksi dua dimensi dari gabungan elemen dimensi. satu ... 8

2.3 Contoh konstruksi tiga dimensi dari gabungan elemen dimensi satu ... 9

2.4 Grafik tegangan – regangan material baja ... 10

2.5 Tiga kondisi keseimbangan statis (teori stabilitas) ... 11

2.6 Komponen tegangan pada satu unit elemen solid ... 13

2.7 Komponen tegangan pada satu unit elemen bidang ... 13

2.8 Contoh type type penampang baja ... 15

2.9 Profil umum penampang baja dinding tipis terbuka ... 16

2.10 Elemen memanjang balok dengan kurvature φ ... 18

2.11 Kesetimbangan gaya dan momen pada elemen balok ... 19

2.12 Profil balok yang mempunyai tebal dengan adanya momen ... 20

2.13 Resultan tegangan bekerja pd unit elemen panjg dz pd balok ... 21

2.14 Distribusi tegangan normal akibat momen ... .22

2.15 Tegangan normal dan geser pada unit elemen panjang dz pada balok ... 22

2.16 Komponen tegangan pada sebuah elemen ... 23

(14)

2.17 Aliran gaya geser pada tampang berbagai profil ... 23

2.18 Momen torsi pada tampang profil bulat ... 24

2.19 Aliran gaya geser torsi pada tampang profil tipis tertutup... 24

2.20 Tegangan normal terjadi akibat warping ... 26

2.21 Tegangan geser St.Venant pada tampang persegi akibat torsi ... 26

2.22 Perputaran pada balok I kantilever akibat momen torsi ... 27

2.23 Lenturan kesamping akibat adanya warping ... 27

2.23a Terjadi tegangan normal dan geser akibat Momen Mz,sv dan Mz,w ... 28

2.24 Energy regangan oleh beban gaya P... 30

2.24a Energy regangan oleh beban aksial ... 31

2.24b Energy regangan oleh beban momen lentur ... 32

2.24c Pergeseran batang karena melentur ... 33

2.24d Balok melentur oleh beban tunggal ... 34

2.24e Balok melentur oleh beban merata ... 35

2.24f Balok kantilever dengan beban ... 35

2.25 Lateral buckling pada balok kantilever (a)sebelum buckling (b) terjadi buckling (c) Potongan terbuckling pada satu titik tertentu .. 36

2.26 Komponen Mx dan Mz pada sb X’ , Y’ dan Z’ ... 37

2.27 Geometrik deformasi lateral (lateral buckling) ... 37 2.28 Beban di pusat geser dan pada jarak yp dari pusat geser ...

(15)

2.29 Beban balok diatas dua tumpuan sederhana jarak yp

2.29a Beban balok kantilever jarak y

dari pusat geser 40

p

dari pusat geser ... 46

2.30 Elastic dan inelastic buckling ... 51

2.31 Lateral buckling teoritis dan eksperimen ... ... 51

2.32 Tegangan residu pada profil hot rolled dan las ... 51

3.1 Portal balok uji dan beban ... 52

3.2 Detail tumpuan jepit ... 53

3.3 Elemen rakitan tumpuan jepit (ukuran dalam mm) ... 54

3.4 Rangka bantalan dial indikator (ukuran dalam mm) ... 54

3.5 Profil balok benda uji (ukuran dalam mm) ... 55

3.6 Type balok benda uji (ukuran dalam m) ... 56

3.7 Keranjang beban (ukuran dalam mm) ... 57

3.8 Tuas penggantung beban ... 57

3.9 Posisi tuas pembebanan ... 57

3.10 Pola pergerakan dial ukur displasemen ... 59

3.11 Pembacaan dial ukur untuk arah horizontal dan vertikal ... 59

3.12 Kriteria pencatatan Pcr eksperimen ... 61

4. Posisi gantungan beban pada penampang balok uji ... 65

4.1 Hubungan antara beban dan displasemen balok I.Strip.Beam150.4.1600 ………... 69

4.2 Hubungan antara beban dan sudut twisting (β), I.Strip.beam150.4.1600 …….………... 70

(16)

4.3 Hubungan Antara Beban dan Perpindahan pada

I.beam.150.40.4.1600 ……...………... 72 4.4 Hubungan Antara Beban dan Sudut Puntir (β),pada

I.beam150.40.4.1600 ………... 73

4.5 Hubungan Antara Beban dan Perpindahan pada

I beam 150.50.4.1600 ………... 75

4.6 Hubungan Antara Beban dan Sudut Puntir (β),pada

I beam150.50.4.1600 .………... 76 4.7 Beban Pcr secara teoritis, eksperimen dan Pruntuh eksperimen ... 77 4.8 Hubungan antara Lebar flens b vs Beban Pcr teoritis & eksperimen 78

(17)

DAFTAR TABEL

2.1 Konstanta Warping berbagai penampang ... 29

3.1 Pemilihan balok uji ... 56

4.1 Hasil pengujian kekuatan tarik bahan uji …..………... 62

4.2 Hasil nilai pengujian Pcr,eksperimen dan Pruntuh, eksperimen ... 77

4.3 Persentase naik turunnya Pcr secara teoritis dan eksperimen ……. 78

4.4

σ

cr saat Pcr terjadi secara teoritis dan eksperimen ..……… 80

4.5 Tegangan dan beban yang menentukan masing masing balok kantilever ... 81

4.6 Penyimpangan/bias hasil antara nilai eksp dan nilai teoritis………. 82 xii

(18)

DAFTAR LAMPIRAN

1. Tabulasi data pembacaan Dial indikator ... 87 2. Dokumentasi penelitian ... 100 3. a.Rekapitulasi hasil uji tarik (Tensile test) bahan uji ... 109 b. Dimensionless parameter Pcr

4. Laporan hasil uji tarik (tensile test) Lab Polyteknik Medan ... 110 untuk balok kantilever ... 109 xiii

(19)

DAFTAR NOTASI

β = Sudut perputaran penampang (angle of twist) u = Perpindahan lateral pusat geser

v = Perpindahan vertical (lenturan vertical) pusat geser φ = fungsi sudut curvature lenturan

λ = Faktor √GJ/EIw ε = Regangan axial εx ε = Regangan arah sb-x y ε

= Regangan arah sb-y

z

τ = Tegangan geser = Regangan arah sb-z

τx

τ

= Tegangan geser arah sb-x

y

τ

= Tegangan geser arah sb-y

z

τ

= Tegangan geser arah sb-z

xy,τyx,τxz,τzx,τyz,τzy

γ = Regangan geser

= Komponen tegangan geser arah suatu sumbu

γxy,γyx,γxz,γzx,γyz,γzy

π = Angka tetap = 22/7 = π

= Komponen regangan geser arah suatu sumbu xiv

(20)

σ = Tegangan normal υ, µ = Poisson ratio

θ = Sudut twisting max, diujung balok

δ = Perpindahan lateral max pusat geser, diujung balok Iω

I = Momen inersia (momen kedua penampang) = Konstanta warping

Ix

I

= Momen inersia terhadap sb-x

y

V = Gaya lintang (gaya geser) = Momen inersia terhadap sb-y

Vx

V

= Gaya lintang (gaya geser) arah sb-x

y

S = Momen statis (momen pertama penampang) = Gaya lintang (gaya geser) arah sb-y

Sx

x = Sumbu orthogonal x

= Momen statis (momen pertama penampang) terhadap sb-x

y = Sumbu orthogonal y z = Sumbu orthogonal z P = Beban terpusat

A = Luas tampang original L = Panjang bentang Pcr = Beban kritis Pel

H,h = Tinggi penampang = Beban kondisi elastis

B,b = Lebar penampang

(21)

E = Modulus elastisitas ∆σ = Pertambahan tegangan ∆L = Pertambahan panjang G = Modulus geser

J = Konstanta torsi St.Venant t = Tebal sesuatu materi

s = Panjang suatu garis lengkung ξ = Sumbu principal orthgnl sb-η η = Sumbu principal orthgnl sb-ξ σx = Tegangan normal arah sb-x σy = Tegangan normal arah sb-y σz = Tegangan normal arah sb-z σl = Tegangan leleh σu σcr = Tegangan kritis = Tegangan ultimate σel M = Momen lentur = Tegangan elastis

Mz = Momen lentur arah sb-z My = Momen lentur arah sb-y Mx = Momen lentur arah sb-x ∆ε = Regangan rata rata