1
ANALISA PERBANDINGAN MODEL KERUNTUHAN PROFIL HEXAGONAL
DAN CIRCULAR CASTELLATED BEAM DENGAN PROGRAM FEA
Saidul Ulum, Budi Suswanto, ST, MT, P.hD, Ir. Heppy Kristijanto, MS
Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
E-mail : budi_suswanto@ce.its.ac.id
Abstrak - Penggunaan balok baja dengan
menggunakan castellated beam selain dapat mengurangi biaya konstruksi dan membuat bahan menjadi lebih ringan jika dibanding dengan profil dengan dimensi yang sama, juga akan membuat momen inersia dan section modulus yang lebih besar, sehingga mampu memikul momen yang lebih besar dan tegangan ijin yang lebih kecil.
Tugas Akhir ini difokuskan untuk menganalisa perbandingan model keruntuhan bukaan castellated beam, dengan dua jenis bentuk bukaan yaitu circular dan hexagonal antara solid beam IWF 250.125.6.9, IWF 400.200.8.13 dan IWF 450.200.9.14 yang sebelumnya telah direncanakan menjadi castellated beam.
Hasil pemodelan dan analisa keruntuhan balok castellated beam menyimpulkan bahwa balok dengan bukaan hexagonal memiliki kekakuan yang lebih baik dari pada balok dengan bukaan circular pada sampel yang sama, hal ini ditunjukan dengan perbedaan nilai persentase tegangan sebesar 5,126% dan defleksi 7,852% pada balok circular castellated beam.
Kata Kunci: model keruntuhan, circular castellated beam, rectangular castellated beam, Program FEA.
I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang
Keuntungan penggunaan balok baja dengan menggunakan castellated beam selain dapat mengurangi biaya konstruksi dan membuat bahan menjadi lebih ringan jika dibanding dengan profil dengan dimensi yang sama, juga akan membuat momen inersia dan section modulus yang lebih besar, sehingga mampu memikul momen yang lebih besar dan tegangan ijin yang lebih kecil (Megharief, J. D. 1997). Hal ini dapat dilakukan dengan memotong profil baja searah sumbu batang sehingga didapatkan dua bagian profil tersebut yang sama, kemudian kedua bagian profil tersebut disambung pada bagian punggungnya dengan las, maka didapatkan profil baru yang disebut castellated beam, dimana beratnya sama atau kurang dari profil sebelumnya tetapi badannya lebih tinggi.
Ada berbagai jenis bentuk bukaan yang terdapat
dalam castellated beam. Diantaranya berbentuk lingkaran (circular), segienam (hexagonal), segiempat (rectangular), dan lain sebagainya.
Tugas Akhir ini difokuskan untuk menganalisa perbandingan model keruntuhan dari castellated beam, dengan dua jenis bentuk bukaan yaitu circular dan
hexagonal. Bukaan circular dan hexagonal pada
castellated beam tersebut direncanakan dari solid beam
profil IWF dengan tiga jenis sampel profil.
Profil yang dipakai sebagai peninjau digunakan profil WF (wide flange). Karena pada perencanan struktur bangunan baja, desain struktur utamanya lebih banyak menggunakan profil WF dibandingkan profil yang lain, selain itu profil WF cenderung lebih menekuk pada bagian badan dibandingkan sayapnya akibat lenturan pada balok baja.
B. Perumusan Masalah Perumusan permasalahan umum :
1. Bagaimana menganalisa perbandingan model keruntuhan castellated beam pada bukaan
hexagonal dan circular dengan program FEA (Abaqus 6.10).
Perumusan permasalahan khusus :
a. Bagaimana mengetahui distribusi tegangan dan regangan dari program Abaqus 6.10.
b. Bagaimana mengetahui perbandingan lendutan, dan prilaku elemen struktur yang terjadi dari masing-masing jenis bukaan dari program Abaqus 6.10.
C. Batasan Masalah
Batasan-batasan pembahsan masalah dalam tugas akhir ini meliputi :
1. Elemen struktur yang ditinjau adalah balok
castellated beam dengan perletakan sederhana (sendi-sendi).
2. Analisa pembebanan terhadap struktur hanya merupakan beban displacement pada tengah bentang balok.
3. Analisa ini menggunakan profil WF (wide flange) yang direncanakan menjadi castellated beam
dengan bukaan circular dan hexagonal.
4. Analisa ini hanya pada jenis bentuk bukaan
circular dan hexagonal.
5. Analisa ini menggunakan tiga jenis sampel profil dengan dua jenis bukaan.
6. Analisa ini tidak meninjau biaya, manajemen proyek, dan segi arsitektural.
7. Analisa ini mengacu pada jurnal ASCE, AISC dan SNI 03 – 1729 – 2002.
8. Analisa menggunakan bantuan program bantu
Finite Element Analysis (Abaqus 6.10). II. TINJAUAN PUSTAKA A. Pengertian Castellted Beam
Castellated beam adalah profil baja H, I, atau U yang kemudian pada bagian badannya dipotong memanjang dengan pola zig-zag. Kemudian bentuk dasar baja diubah dengan menggeser atau membalik setengah bagian profil baja yang telah dipotong. Penyambungan setengah profil dilakukan dengan cara di las pada bagian “gigi-giginya” sehingga terbentuk profil baru dengan lubang berbentuk segi enam (hexagonal), segi delapan (octogonal), dan lingkaran (circular) sehingga menghasilkan modulus penampang yang lebih besar.
III. METODOLOGI A. Flowchart Metode Penyelesaian
Gambar 3.1 Flowchart Metode Penyelesaian
IV. ANALISA DAN HASIL ANALISA A. Data Perencanaan
Dalam perencanaan digunakan balok baja solid IWF yang dikastelasi dengan data-data perencanaan yang digunakan sebagai berikut :
Dengan Mutu baja BJ 41 fy = 250 Mpa
Fu = 410 Mpa
Modulus elastisitas (E) = 200000 Mpa
B. Preliminary Desain
Ada tiga jenis balok solid IWF dalam perencanaan ini yang kemudian direncanakan menjadi balok kastela dengan masing-masing balok solid direncanakan dengan bukaan hexagonal dan circular.
Dimensi balok IWF sebelum dikastelasi : a. IWF 250.125.6.9
b. IWF 400.200.8.13 c. IWF 450.200.9.14
Data balok IWF setelah dikastelasi a. Hexagonal Castellated Beam
Gambar 4.1 Geometri Balok HexagonalCastellated Beam
Tabel 4.1 Geometri HexagonalCastellated Beam
d h St Sb e b e s s ao dg St Sb b e ho 250.125.6.9 400.200.8.13 450.200.9.14 375.125.6.9 600.200.8.13 675.200.9.14 d = 250.00 400.00 450.00 mm dg = 350.00 560.00 630.00 mm bf = 125.00 200.00 200.00 mm tw = 6.00 8.00 9.00 mm tf = 9.00 13.00 14.00 mm Ø = 60.00 60.00 60.00 o h = 100.00 160.00 180.00 mm b = 57.74 92.38 103.92 mm St = 75.00 120.00 135.00 mm Sb = 75.00 120.00 135.00 mm ho = 200.00 320.00 360.00 mm ao = 215.47 344.75 387.85 mm e = 100.00 160.00 180.00 mm s = 315.47 504.75 567.85 mm K = 1.40 1.40 1.40 Hexagonal Castellated Beam Solid Beam sat
b. Circular Castellated Beam
Gambar 4.2 Geometri Balok CircullarCastellated Beam
Tabel 4.2 Geometri CircullarCastellated Beam
C. Kontrol Bukaan dan Penampang
Kontrol bukaan meliputi dan penampang mengacu
pada jurnal ASCE, AISC dan SNI 03 – 1729 –
2002
meliputi :a. Kontrol Bukaan
b. Kontrol Penampang Profil c. Kontrol Tekuk Badan
d. Kontrol Momen Lentur Nominal e. Kontrol Tekuk Lateral
f. Kontrol Kuat Kuat Geser
D. Analisa Prilaku Balok
Dari benda uji berupa 3 jenis Balok IWF Castellated Beam dengan dua bukaan hexagonal dan circular, kemudian dilakukan analisa menggunakan program FEA untuk mendapatkan nilai tegangan dan defleksinya.
Pada Castellated Beam nilai tegangan dan defleksi dapat dilihat pada sumbu local pada elemen
tersebut. Warna pada elemen menunjukkan tegangan yang terjadi pada elemen tersebut. Semakin warna merah maka menunjukkan bahwa displacement, tegangan yang terjadi semakin besar.
Untuk titik peninjau keruntuhan diambil pada tengah bentang diatas lubang kastelasi, untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut.
Gambar 4.3 Titik Pengambilan Sampel Keruntuhan
Dari program FEA, output yang dihasilkan berupa tegangan dan defleksi.
HCB1
Gambar 4.4 Model Keruntuhan Sampel HCB1 CCB1
Gambar 4.5 Model Keruntuhan Sampel CCB1
d h St Sb ao ao s ao s Do dg St Sb 250.125.6.9 400.200.8.13 450.200.9.14 375.125.6.9 600.200.8.13 675.200.9.14 d = 250.00 400.00 450.00 mm dg = 335.00 536.00 603.00 mm bf = 125.00 200.00 200.00 mm tw = 6.00 8.00 9.00 mm tf = 9.00 13.00 14.00 mm h = 100.00 160.00 180.00 mm St = 67.50 108.00 121.50 mm Sb = 67.50 108.00 121.50 mm Do = 200.00 320.00 360.00 mm ao = 200.00 320.00 360.00 mm e = 100.00 160.00 180.00 s = 300.00 480.00 540.00 mm K = 1.40 1.40 1.40 Hexagonal Castellated Beam Solid Beam sat
HC CC HC Ga CC CB1 Gambar 4.3 CB1 Gambar 4.4 CB2 ambar 4.5 Gr CB2 Gambar 4.6 3 Grafik Nila 4 Grafik Nila rafik Nilai Te 6 Grafik Nila ai Tegangan ai Tegangan egangan dan ai Tegangan dan Defleksi dan Defleksi n Defleksi dan Defleksi i i i HC CC E. Ta Teg G Rat CB3 Gambar 4.7 CB3 Gambar 4.8 Perbandin Uji abel 6. Nilai gangan Gambar 4.9 G No Samp 1 HCB 2 CCB 3 HCB 4 CCB 5 HCB 6 CCB ta ‐ rata Grafik Nilai Grafik Nilai ngan Tegang Tegangan da Grafik Beban untuk Sem pel Tegangan (N/mm2) B1 227.829 B1 242.652 B2 234.434 B2 246.725 B3 219.710 B3 229.551 i Tegangan d i Tegangan d
gan dan Def an Defleksi S n terhadap Ni mua Sampel Perbeda an (%) D 9 2 2 2 4 1 5 2 0 1 1 1 5.126 6.109 4.982 4.287 dan Defleksi dan Defleksi fleksi 3 Sam Semua Samp ilai Teganga mpel pel Defleksi (mm) Perbeda (%) 21.170 23.425 18.880 20.090 17.093 18.560 7.8 9.630 6.023 7.904 aan 0 3 4 852 an
G De G Te G Gambar 4.10 efleksi Gambar 4.11 Gambar 4.1 egangan Ter Gambar 4.13 De 0 Nilai Tegan 1 Grafik Beb untuk Sem 2 Nilai Defle rhadap Defle 3 Grafik Nila efleksi untuk ngan untuk S an terhadap mua Sampel eksi untuk Se eksi ai Tegangan t k Semua Sam Semua Samp Nilai Deflek emua Sampe terhadap Nil mpel el ksi el lai Ga E. An cast teng teor awa lele men ters dib Tab terj kar fini elem outp seh emp ambar 4.14 N Analisa Ru alisa Tegang Dapat dika tellated bea gah bentang ri titik di ten al yaitu seb eh. Pada t nunjukan te sebutlah yang andingkan d bel 4.3 Perba Untuk sam adi pada FE ena pada FE ite elemen s men elemen put teganga hingga memb piris. HCB HCB HCB CCB CCB CCB Samp Nilai Tegang Semua umus Empi gan atakan saat b am mengala tepat pada l ngah bentan besar 250 M titik terseb egangan ma g akan dicari dengan hasil F andingan Teg hasil mpel Tegang A dan rumu EA, elemen sehingga tiap n yang lebih an elemen a buat hasilnya an terhadap Sampel Empiris (N/m B1 B2 B3 B1 B2 B3 pel
σ
ris alok baik we ami leleh a lubang kaste ng akan men MPa, namun but akan t aksimal ter i dengan rum FEA gangan rumu FEA gan sebelum s empiris ter dianalisa d p elemen di h kecil. Ha akan dianali a lebih besar Defleksi unt ebsolid maup atau runtuh elasinya. Sec ncapai tegang n sebelum b tentunya ak rtentu.Tegang mus empiris l us empiris da s rata-rata F mm2) (N/ 180.46 22 185.22 23 175.61 21 191.98 24 196.79 24 186.94 22σ
σ
m runtuh ya rjadi perbeda dengan progr ipecah menj al itu memb isa lebih de daripada rum tuk pun di cara gan baja kan gan lalu an P ang aan, ram jadi buat etail mus FEA /mm2) 27.83 34.43 19.71 42.65 46.73 29.55σ
B. Saran Analisa Defleksi
Saran yang dapat diberikan sesuai dengan Tugas Akhir ini adalah :
Tabel 4.4 Perbandingan defleksi rumus empiris dan
FEA 1. Perlu dilakukan pengujian eksperimental untuk hasil yang lebih akurat.
frata-rata f empiris FEA ( mm ) ( mm ) ( mm ) ( mm ) HCB1 6000 17.539 21.170 25 HCB2 6000 11.309 18.880 25 HCB3 6000 9.441 17.093 25 CCB1 6000 19.495 23.425 25 CCB2 6000 12.554 20.090 25 CCB3 6000 10.500 18.560 25 Sampel Lb f ijin DAFTAR PUSTAKA
American Institute of Steel Construction ( AISC ).”Steel and Composite Beams with Web Openings”, USA, 2003.
American Society of Civil Engineers (ASCE), Dec. 1992. “Proposed Specification For Structural Steel Beams With Web Opening”.Journal of Structural Engineering Vol. 118: 3315-3324.
Secara garis besar hasil FEA selalu lebih besar, hasil FEA lebih valid karena dalam FEA, elemen dipecah menjadi beberapa bagian lalu tiap elemen akan dianalis oleh program Hal tersebut membuat hasilnya lebih valid sehingga memenuhi persyaratan lendutan.
Badan Standarisasi Nasional. 2002. Tata Cara Perencanaan Struktur Baja Untuk Bangunan Gedung (SNI 03 - 1729 - 2002). Bandung: BSN. Megharief, J. D. Behaviour of Composite Castellated
Beam. Montreal, Canada: Department of Civil Engineering and Applied Mechanics, Mc Gill University.
V. KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan
Berikut ini adalah hasil yang dapat disimpulkan berdasarkan analisa model keruntuhan profil hexagonal
castellated beam dengan program bantu Finite Element Analysis.
1.
Dari hasil analisa FEA, nilai tegangan pada
setiap sampel
circular castellated beam
(CCB) lebih besar 5,125% dari nilai tegangan
hexagonal castellated beam
(HCB).
2.
Dari hasil analisa FEA, nilai defleksi pada
setiap sampel
circular castellated beam
(CCB) lebih besar 7,852% dari nilai defleksi
hexagonal castellated beam
(HCB).
3.
Dari hasil analisa FEA, dapat disimpulkan
dengan Ix pada sampel CCB lebih kecil dari
sampel HCB, mengakibatkan defleksi dan
tegangan yang lebih besar pada sampel CCB.
Sehingga sampel HCB lebih kaku.
4.
Pada analisa FEA membuktikan bahwa ketika
penampang mengalami kelelehan, lendutan
menjadi semakin besar tidak lagi linear.
5.
