KAJIAN PERBANDINGAN TEKUK KOLOM BAJA RINGAN SECARA NUMERIK DAN PERATURAN RIWANTO MARBUN /TS

(1)

KAJIAN PERBANDINGAN TEKUK KOLOM BAJA RINGAN

SECARA NUMERIK DAN PERATURAN

TESIS

OLEH

RIWANTO MARBUN

087016012/TS

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

KAJIAN PERBANDINGAN TEKUK KOLOM BAJA RINGAN

SECARA NUMERIK DAN PERATURAN

TESIS

Syarat u

Syarat untuk m em peroleh G elar M agister Teknik

ntuk m em peroleh G elar M agister Teknik

P ada

P ada P rogram Studi M agister Teknik Sipil

P rogram Studi M agister Teknik Sipil

F akultas Teknik

F akultas Teknik U niversitas Sum atera U tara

U niversitas Sum atera U tara

OLEH:

RIWANTO MARBUN

087016012/TS

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(3)

Judul Tesis : KAJIAN PERBANDINGAN TEKUK KOLOM BAJA RINGAN SECARA NUMERIK DAN PERATURAN

Nama Mahasiswa : Riwanto Marbun Nomor Pokok : 087016012

Program Studi : Magister Teknik Sipil

Menyetujui: Komisi Pembimbing,

Dr. Ing. Hotma Panggabean Ketua

Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT Anggota

Ketua Program Studi,

Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE

Dekan,

Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME

(4)

Telah Diuji Pada

Tanggal Lulus : 30 Agustus 2013

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua : Dr. Ing. Hotma Panggabean Anggota : Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT

Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan Ir. Sanci Barus, MT

(5)

ABSTRAK

Analisis dan perencanaan pada kolom baja ringan penampang C (Canal) pada tulisan ini dilakukan berdasarkan hasil percobaan yang dilakukan oleh Sreedhar

Kalavagunta dan kawan-kawan dalam jurnal Experimental Study of Axially Compressed Cold Formed Steel Channel Columns, Indian Journal of Science and Technology, 2013.

Pada percobaan tersebut diambil penampang C (Canal) sebanyak 2 (dua) jenis yaitu C100.10 dan C75.12 dengan panjang bervariasi sebesar 700 mm, 600 mm dan 500 mm. Pada percobaan tersebut penampang C100.10 mengalami tekuk lokal sedangkan pada penampang C75.12 mengalami tekuk flexural torsional. Hasil percobaan ini kemudian dibandingkan dengan hasil perhitungan dengan peraturan AS/NZS dan simulasi numerik dengan metode elemen hingga yang menggunakan program Lusas. Untuk penampang C100.10 terlihat bahwa beban kritis untuk hasil metode elemen hingga lebih besar dibandingkan hasil perhitungan dengan peraturan AS/NZS maupun hasil percobaan dimana perbandingan terbesar hasil metode elemen hingga terhadap hasil percobaan adalah 1.108 dan hasil metode elemen hingga terhadap hasil peraturan

AS/NZS adalah 1.056. Untuk penampang C75.12 terlihat bahwa beban kritis untuk hasil

metode elemen hingga lebih besar dibandingkan hasil percobaan maupun hasil perhitungan dengan peraturan AS/NZS dimana perbandingan terbesar hasil metode elemen hingga terhadap hasil percobaan adalah 1.094 dan hasil metode elemen hingga terhadap hasil peraturan AS/NZS adalah 1.043.

(6)

ABSTRACT

Analysis and design on light steel column of C (Canal) section in this paper is based on the results of experiments conducted by Sreedhar Kalavagunta and his colleagues in the journal Experimental Study of Axially Compressed Cold Formed Steel Channel Columns, Indian Journal of Science and Technology, 2013. The experiment using two kind of C (Canal) section types, C100.10 and C75.12 types with varying length of 700 mm, 600 mm and 500 mm.

At the experiment on the C100.10 that had local buckling while C75.12 section had flexural torsional buckling. The experimental results are then compared with calculations based on the rules AS/NZS and numerical simulation with finite element method and using Lusas program. From the calculation for the section C100.10 seen that the critical load for the finite element method calculation is greater than the code AS / NZS and the results of experiments in which the largest comparative results of the finite element method (FEM) to the experimental results and the 1.108 results is the finite element method to the standard / code is 1.056. For the calculation of the section C75.12 seen that the critical load for the finite element method is greater than the results of experiments and calculations with the code AS/NZS where the largest comparative results of the finite element method (FEM) to the experimental results is 1.094 and results for the finite element method to the standard / code is 1.043.

Keywords : The Code AS/NZS, Finite Element Method (FEM), Experiments

(7)

KATA PENGANTAR

Puji dan Syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan karunia-Nya, sehingga tesis dengan judul “Kajian Perbandingan Tekuk Kolom

Baja Ringan Secara Numerik dan Peraturan” ini dapat diselesaikan. Tesis ini

merupakan hasil dari analisis program Lusas v.14, hasilnya dibandingkan dengan peraturan baja ringan Australian Standard / New Zealand Standard (AS/NZS) serta hasil referensi Eksperimental Study of Axially Compressed Cold Form Steel Channel

Columns, Indian Journal of Science and Technology, 2013.

Tesis ini diselesaikan sebagai satu di antara persyaratan untuk menyelesaikan pendidikan dan memperoleh gelar Magister Teknik pada Fakultas Teknik Program Studi Magister Teknik Sipil Jurusan Struktur Bangunan pada Universitas Sumatera Utara.

Penulis mengucapkan terimakasih atas saran/ide/masukan dan waktunya kepada Bapak Dr. Ing Hotma Panggabean sebagai Ketua Komisi Pembimbing dan Bapak Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT sebagai Anggota Komisi Pembimbing, kepada Bapak Prof. Dr. Ing Johannes Tarigan, Bapak Ir. Sanci Barus, MT, Bapak Ir. Rudi Iskandar Pane, MT sebagai Pembanding serta Para Staf Pengajar Magister Teknik Sipil yang telah memberikan materi kuliah selama masa perkuliahan, kepada abangda Albertus Simbolon, ST yang telah banyak membantu dalam menyelesaikan tesis ini dan sahabatku Nelson Hutahaean, ST, MT yang saling menguatkan memberikan semangat dalam penyelesaian tesis ini dan adinda Yun Ardi yang telah banyak membantu dalam urusan administrasi di Magister Teknik Sipil USU.

Penulis juga mengucapkan terimakasih kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE sebagai Ketua Jurusan Magister Teknik Sipil dan Bapak Ir. Rudi Iskandar Pane, MT sebagai Sekretaris Jurusan Magister Teknik Sipil, kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME sebagai Dekan Fakultas Teknik dan Bapak Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu, DTM&H, M.Sc (CTM), Sp.A(K) sebagai Rektor Universitas Sumatera Utara.

(8)

Istriku tercinta Octavia Ernie Christina Siallagan, SH, anak-anakku Deo

Rocandy Sion Marbun dan Audrey Claudya Marbun, orangtuaku Bernaman

Marbun/Mesta Manik, mertuaku Drs. Djapea Walter Siallagan/Lamria Purba serta seluruh Saudara/Saudariku terimakasih atas dukungan dan doa dari kalian. Rekan sekaligus atasanku : Ir. Iwan Darmawan, MT (Kasatker PJN Wil. II Prov. Sumut) yang telah memberikan waktu, semangat maupun bantuan dalam penyelesaian tesis ini.

Penulis menyadari bahwa tesis ini masih jauh dari sempurna disebabkan keterbatasan pengetahuan, pengalaman serta referensi yang penulis miliki. Untuk ini penulis mengharapkan kritik dan saran demi kesempurnaan tesis ini di masa yang akan datang.

Akhirnya penulis mengucapkan terimakasih dan semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi kita.

Medan, Agustus 2013 Penulis,

(9)

PERNYATAAN

Bersama ini saya menyatakan bahwa dalam tesis ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di Perguruan Tinggi manapun dan sepanjang sepengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain kecuali yang secara tertulis disebutkan dalam naskah penulisan ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Medan, Agustus 2013 Penulis,

(10)

DAFTAR RIWAYAT HIDUP

I. Data Pribadi

1. Nama : Riwanto Marbun

2. Tempat/Tanggal Lahir : Medan/06 Agustus 1974

3. Jenis Kelamin : Laki-Laki

4. Pekerjaan : Pegawai Negeri Sipil

5. Agama : Kristen Protestan

6. Alamat : Jln. Sei Brantas No. 29 Medan

Kec. Medan Sunggal, Sumut

II. Riwayat Pendidikan

1. SD Negeri 060938 Medan tahun 1981-1987

2. SMP Negeri 8 Medan tahun 1987-1990

3. STM Negeri 3 Medan tahun 1990-1993

4. D3 Teknik Sipil Politeknik USU Medan tahun 1993-1996

5. S1 Teknik Sipil FT USU Medan tahun 1999-2002

6. S2 Teknik Sipil USU tahun 2008-2013

III. Riwayat Pekerjaan

Pegawai Negeri Sipil pada Balai Besar Pelaksanaan Jalan Nasional I Medan, Direktorat Jenderal Bina Marga, Kementerian Pekerjaan Umum

(11)

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK i

ABSTRACT ii

KATA PENGANTAR iii

PERNYATAAN v

DAFTAR RIWAYAT HIDUP vi

DAFTAR ISI vii

DAFTAR TABEL x

DAFTAR GAMBAR xi

DAFTAR NOTASI xiii

BAB I PENDAHULUAN 1

1.1 Latar Belakang 1

1.2 Permasalahan 2

1.3 Maksud dan Tujuan Penelitian 3

1.4 Pembatasan Masalah 3

1.5 Sistematika Penulisan 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 6

2.1 Material Baja Ringan (Cold Form Steel) 6

2.1.1 Gambaran Umum 6

2.1.2 Bentuk Tampang Baja Ringan dan Aplikasinya 10

2.1.3 Tegangan Leleh, Kekuatan Tarik dan Kurva Tegangan

Regangan pada Baja Ringan 11

2.1.4 Modulus Elastisitas, Tangen Modulus dan

Modulus Geser 13

2.1.5 Daktilitas 15

2.2 Balok Baja Ringan yang Mengalami Gaya Tekan 16

2.2.1 Kapasitas Nominal 16

2.3 Teori Kestabilan 17

(12)

2.3.2 Energi Potensial Minimum 22

2.3.3 Tekuk Lokal (Local Buckling 25

2.3.4 Lentur Torsi (Flexural Torsional Buckling) 26

2.3.5 Tekuk Distorsi 31

2.3.5.1 Kanal Dalam Kondisi Tekan 31

2.3.5.2 Kanal Lip Dalam Kondisi Tekan 33

2.4 Metode Elemen Hingga 35

2.4.1 Pemodelan Elemen 35

2.4.2 Perilaku Ke Arah Dalam (In Plane) 39

2.4.3 Perilaku Ke Arah Luar (Out Plane) 39

2.4.4 Penggunaan Dari Pengekangan Geser 40

2.4.5 Pemecahan Sistem Eigen 42

2.4.6 Permasalahan Stabilitas 46

2.5 Analisis Non Linear 47

2.5.1 Analisis Material Non Linear 47

2.5.2 Prosedur Iterasi 50

2.5.2.1 Iterasi Newton 50

2.5.2.2 Pelacakan Baris 50

2.5.3 Konvergensi 52

2.5.4 Prosedur Inkrementasi 53

2.5.4.1 Level Beban Konstan 53

2.5.4.2 Metode Modifikasi Panjang Busur

(Metode Crisfield) 54

2.5.4.3 Kontrol Panjang Busur (Metode Rheinboldt) 54

2.5.4.4 Pelacakan Baris Dengan Metode Panjang Busur 56

2.5.4.5 Penyesuaian Beban Secara Otomatis 56

2.5.5 Model Hubungan Tegangan-Regangan Material Baja 56

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 57

3.1 Umum 51

3.2 Bagan Alir Penelitian 51

(13)

3.3.1 Pendefenisian Model 54 3.3.1.1 Geometri Penampang 54 3.3.1.2 Grouping Elemen 54 3.3.1.3 Meshing Elemen 54 3.3.1.4 Properti Geometri 54 3.3.1.5 Properti Material 55

3.3.1.6 Posisi dan Jenis Perletakan 55

3.3.1.7 Posisi dan Jenis Pembebanan 55

3.3.2 Pemasukan Parameter Model 55

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 67

4.1 Hasil Perhitungan dengan Metode Elemen Hingga (LUSAS) 67

4.2 Hasil Perhitungan dengan Peraturan AS/NZS 73

4.2.1 Kolom Baja Ringan dengan Penampang

Canal Lip C100.10, L = 700 mm 73

Canal Lip C100.10, L = 600 mm 79

Canal Lip C100.10, L = 500 mm 86

Canal Lip C75.12, L = 700 mm 92

Canal Lip C75.12, L = 600 mm 100

Canal Lip C75.12, L = 500 mm 110

4.3 Hasil Eksperimental 109

4.4 Pembahasan 110

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 113

5.1 Kesimpulan 113

5.2 Saran 114

DAFTAR PUSTAKA 115

(14)

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman

2.1 Harga Koefisien Tekuk Pelat 21

2.2 Faktor Reduksi Kapasitas 23

2.3 Batasan Untuk Komponen Struktur Tekan Yang Telah Diprakualifikasi 30

3.1 Ukuran Penampang Benda Uji 51

4.1 Beban Terhadap Perpindahan Untuk C100.10 L= 700 mm 67

4.5 Beban Terhadap Perpindahan Untuk C75.12 L= 600 mm. 71

4.7 Beban Kritis Hasil Eksperimental 109

4.8 Perbandingan Hasil Setiap Metode Analisis 110

(15)

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman

2.1 Beberapa Bentuk Profil Baja Ringan Tunggal

(Wei Wen Yu and Roger A. Laboude) 10

2.2 Grafik Tegangan Regangan Pada Baja Hot Rolled 13

2.3 Grafik Tegangan Regangan Pada Baja Cold Form 13

2.4 Tiga Keadaan Kesetimbangan (Chazes, 1974) 19

2.5 Permukaan Stabilitas 21

2.6 Karakter Relatif Dari Kesetimbangan 23

2.7 Bentuk Mode Tekuk Lokal 23

2.8 Elemen Aktual dan Lebar Efektif (b) dari Elemen dan

Tegangan Rencana 26

2.9 Kanal Yang Mengalami Tekan 32

2.10 Kanal Lip Yang Mengalami Tekan 34

2.11 Konfigurasi Titik Dari Elemen 36

2.12 Bagan Alir Menghitung Tekuk Kolom Baja Ringan 45

2.13 Idealisasi Hubungan Tegangan Regangan Untuk Baja 47

2.14 Penambahan Beban Pada Balok 48

2.15 Iterasi Newton Raphson Untuk Respon Derajat Kebebasan Tunggal 49

2.16 Initial Stiffnes Method 50

2.17 KTI Method 51

2.18 KT2 Method 44

(16)

2.20 Prosedur Inkrementasi/iteratif Level Beban Konstan 53

2.21 Ilustrasi Limit Point Untuk Respon Derajat Kebebasan Tunggal 54

2.22 Modifikasi Inkrementasi Beban Panjang Busur untuk Respon

Derajat Kebebasan Tunggal 55

2.23 Kurva Hardening (Hardening Curve) 57

3.1 Bagan Alir Penelitian 52

3.2 Bagan Alir Pemodelan Metode Elemen Hingga 53

4.1 Perpindahan Yang Terjadi Akibat Beban Aksial Tekan Pada Kolom

Baja Ringan Untuk Penampang C100.10 Dengan Panjang 700 mm 67

4.7 Grafik Beban Terhadap Perpindahan Untuk C100.10 L= 700 mm 60

4.8 Grafik Beban Terhadap Perpindahan Untuk C100.10 L= 600 mm 61

4.9 Grafik Beban Terhadap Perpindahan Untuk C100.10 L = 500 mm 62

(17)

DAFTAR NOTASI

e

A = Luas Efektif Saat Tegangan Kritis ( f ) Untuk Menghitung_n N . _c

g

A = Luas Bruto Elemen Atau Luas Kotor Penampang.

n

A = Luas Netto Penampang.

b = Lebar Rata Elemen Tidak Termasuk Lengkungan.

e

b = Lebar Efektif Elemen Yang Menerima Beban Tekan Merata, Baik

Dengan Maupun Tanpa Pengaku, Untuk Menentukan Kapasitas.

f

b = Lebar Sayap Dari Penampang Kanal Atau Z.

C = Rasio Luas Penampang Untuk Komponen Struktur Tekan.

d = Tinggi Penampang.

E = Modulus Elastisitas Young (200 x 103 MPa).

c

f = Tegangan Beban Layan Pada Pelat Penutup Atau Lembaran.

y

f = Tegangan Tekuk Elastis Pelat.

c

f = Tegangan Kritis.

oc

f = Tegangan Tekuk Lentur, Torsi Dan Lentur Torsi Elastic.

od

f = Tegangan Tekuk Distorsi Elastis Dari Penampang.

G = Modulus Elastisitas Geser (80 x 103 MPa).

I = Momen Inersia Penampang Utuh, Tak Tereduksi kepada Sumbu Lentur.

J = Konstanta Torsi Untuk Penampang.

k = Koefisien Tekuk Pelat.

(18)

ez ey ex l l

l , , = Tekuk Efektif Untuk Lentur Terhadap Sumbu X Dan Y Serta Torsi.

c

N = Kapasitas Komponen Struktur Nominal Dari Struktur dalam tekan.

cd

N = Kapasitas Komponen Struktur Nominal Untuk Tekuk Distorsi.

1

c

N = Kapasitas Komponen Struktur Nominal Untuk Tekuk Lokal.

e

N = Beban Tekuk Elastic.

t = Tebal Penampang Kanal Atau Z.

f

t = Tebal Sayap.

w

t = Tebal Pelat Badan.

3 2 1,λ ,λ