Kapasitas Aksial Balok Baja Kastela Bentuk Lubang Segi Empat Dengan Pengaku Baja Tulangan

(1)

LAPORAN PENELITIAN

Kapasitas Aksial Balok Baja Kastela Bentuk Lubang Segi Empat Dengan Pengaku Baja Tulangan

Tim Pelaksana:

Ketua : M. RusliAhyar (0625059102)

Anggota : Ir. H. Prabowo Setiyawan,MT.,Ph.D (0607046802)

UNIVERSITAS ISLAM SULTAN AGUNG SEMARANG

DESEMBER 2021

(2)

RINGKASAN

Kapasitas Aksial Balok Baja Kastela Bentuk Lubang Segi Empat Dengan Pengaku Baja Tulangan

Muhamad Rusli A.^1* dan Prabowo Setiawan¹

1Universitas Islam Sultan Agung, Jl. Raya Kaligawe km.4 Semarang 50112, Indonesia

*Corresponding author: muhamad.rusli.a@unissula.ac.id (Received: - ; Revised: - : Accepted: -)

Abstrak: Pengaku tulangan baja pada balok castellated bentuk lubang segi empat penuh terbukti dapat mencegah terjadi mekanisme kegagalan vierendeel [1]. Efeknya adalah terjadi peningkatan pada flexural capacity pada struktur castellated. Besar diameter tulangan baja sebagai pengaku akan berpengaruh pada kekuatan pengaku dalam menahan gaya aksial yang terjadi pada struktur castellated. Akan tetapi besar diameter terbatas oleh nilai maksimal kekuatan sayap profil dalam menahan gaya momen. Dengan menggunakan desain optimal dari sturktur baja castellated dilakukan penelitian yang bertujuan untuk mencari peningkatan axial capacity. Pada penelitian ini ada dua model struktur baja yang dibebani arah aksial.

Model pertama adalah profil IWF 200x100x5.5x8 dan yang kedua adalah baja castellated 362x100x5.5x8. Analisis dilakukan menggunakan dua metode, yaitu: metode iterasi dan metode analisa pushover. Hasil penelitian menunjukkan bahwa ada peningkatan flexural capacity sebesar 36.81% dan peningkatan axial capacity sebesar 60.78%. peningkatan nilai kapasitas struktur terutama diakibatkan adanya pengaku yang berimbas pada semakin pendek nilai panjang efektif struktur.

Kata kunci: castellated; pushover; struktur baja

1. Pendahuluan

Profil IWF yang dilakukan proses castellated adalah pemotongan sepanjang badan profil berdasarkan pola-pola tertentu yang setelahnya disatukan kembali disambung dengan sambungan las. Hasil dari proses castellated adalah prodil baru yang memiliki bukaan pada badan profil. Bentuk baru ini disebut dengan struktur baja castellated. Keuntungan struktur baja castellated dalam konstruksi diantaranya adalah peningkatan kekakuan dan kuat lentur balok akibat inersia penampang yang semakin besar. Peningkatan besarnya inersia penampang didapat dari perubahan tinggi profil baja castellated yang lebih tinggi dari profil baja IWF sebelumnya tanpa disertai dengan perubahan berat sendiri. Selain itu, lubang pada badan profil juga menambah nilai artistik dan memudahkan pekerjaan instalasi perpipaan.

Akan tetapi, kekurangan baja castellated adalah terjadinya mekanisme vierendeel yang disebabkan oleh terbentuknya sendi-sendi plastis pada sudut-sudut bukaan badan profil [1] [2]

[3].

Mekanisme vierendeel yang terjadi pada struktur castellated bentuk lubang segi empat penuh mengakibatkan penurunan kapasitas balok castellated menjadi lebih kecil dari pada profil IWF sebelumnya akibat munculnya sendi-sendi plastis pada sudut-sudut bukaan badan profil [1] [3] [8]. Penggunaan pengaku baja tulangan silang pada balok baja castellated bentuk lubang segi empat penuh dapat mencegah kegagalan vierendeel sehingga meningkatkan

(3)

kapasitas lentur balok castellated [1]. Posisi dan bentuk pengaku baja tulangan dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Diagonal stiffener pada balok castellated bentuk lubang segi empat penuh Selain bisa dimanfaatkan untuk meningkatkan flexural capacity, pengaku tulangan baja pada strutkur castellated dapat digunakan untuk meningkatkan nilai axial capacity. Karena semakin kecil nilai bentang efektif struktur, maka akan semakin kecil kemungkinan terjadi kegagalan tekuk lokal [4]. Penelitian ini memiliki tujuan untuk mencari besar peningkatan axial capacity akibat proses castellated dan penambahan pengaku tulangan baja pada profil IWF 200x100x5.5x8.

2. Metode Penelitian

Benda uji merupakan profil IWF 200x100x5.5x8 yang dibuat menjadi profil castellated sehingga memiliki dimensi castellated 362x100x5.5x8. profil castellated ini memiliki tinggi penampang, h=362 mm, lebar penampang, b=100 mm, tebal sayap, tebal sayap profil, tf=8 mm, dan tebal badan profil, t_w=5.5 mm. Mutu baja yang digunakan adalah mutu BJ37 dimana material baja memiliki tegangan leleh, f_y=240 Mpa. Bentang struktur, L=3 m ditentukan sesuai dengan batasan agar tidak terjadi tekuk torsi lateral [3]. Struktur castellated memiliki bukaan lubang dengan lebar 130 mm. Pengaku pada struktur castellated menggunakan baja tulangan diameter 16 mm yang merupakan optimasi dari struktur castellated dengan lebar 130 mm [5]. Kapasitas momen plastis balok IWF, Mp, dapat dihitung menggunakan persamaan (1) [6].

x y

p f Z

M   (1)

Spesifikasi model struktur baja castellated dan sketsa penampang memanjang dapat dilihat pada Tabel 1 dan Gambar 2.

Tabel 1. Dimensi struktur baja castellated Elemen profil castellated Simbol Dimensi

(mm)

Tinggi penampang H 362

Lebar penampang B 100

Tebal badan t_w 5.5

Tebal sayap tf 8

Lebar bukaan lubang L_lubang 130 Panjang non-offset tulangan Ltulangan 239

(4)

Gambar 2. Sketsa penampang memanjang struktur castelalted 2.1. Truss Analysis

Formasi stiffener yang diposisikan secara diagonal menjadikan transfer beban pada struktur castellated menjadi mirip seperti formasi pada system struktur truss [1]. Analisa system truss ini memudahkan dalam perencanaan struktur castellated. Dalam analisa truss hanya diperhitungkan batang tekuk dan batang tarik untuk mengetahui nilai kapasitas beban.

Persamaan yang digunakan untuk menghitung batang tarik sesuai dengan SNI-1729-2015 [6]

adalah sebagai berikut:

g y

n f A

P   (2)

Dimana,

Pn = Kapasitas batang Tarik (N) f_y = tegangan leleh baja (MPa) Ag = Luas Penampang profil (mm²)

Untuk perhitungan batang tekan menurut SNI-1729-2015 ditentukan berdasarkan jenis bentuk geometri penampang [7]. Pada struktur castellated elemen-elemen tekan memiliki bentuk segi empat pejal dan lingkaran pejal. Oleh karena itu kapasitas batang tekan ditentukan hanya berdasarkan flexural buckling, yang dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

g cr

n f A

P   (3)

Dengan Ag adalah luas penampang bruto dan fcr adalah tegangan kritis (MPa) yang ditentukan berdasarkan nilai rasio kelangsingan efektif penampang yang dihitung menggunakan persamaan berikut :

r

 KL

 (4)

Dimana

λ = rasio kelangsingan efektif K = factor panjang efektif

L = panjang bentang yang tidak diperkaku r = jari-jari girasi

dari perhitungan nilai rasio kelangsingan efektif penampang dapat dicari nilai tegangan kritis When

fy

71 E .

4

 or 2.25

e y

f

f , (5)

Then ^f _y

f

cr f

f ^e

y

















 0.658 (6)

(5)

When

fy

71 E .

4

 or 2.25

e y

f

f , (7)

Then f_cr 0.877f_y (8)

Dimana

E = modulus elastisitas baja (MPa) fe = tegangan tekuk elastis (MPa)

tegangan tekuk elastis (f_e) dapat dihitung dengan persamaan

2 2



 E

f_e  (9)

2.2. Pushover Analysis

Secara umum, tahapan analisa pushover dapat dilakukan dengan model two dimensional frame pada SAP2000. Pola pembebanan, steel hinge properties dan load case pushover harus didefinisikan pada model [4]. Setelah dilakukan proses analisis maka hasil keluaran dapat dibaca pada kurva analisis pushover. Model struktur castellated pada SAP2000 seperti yang terlihat pada gambar 3.

Gambar 3. Pemodelan struktur kolom baja castellated pada SAP2000

Penentuan steel hinge properties didasarkan pada tegangan material dan deformasi yang terjadi pada elemen balok castellated. Elemen struktur tekan akan mengalami tegangan kritis dan elemen struktur Tarik akan mengalami tegangan leleh. Sedangkan, untuk nilai deformasi elemen dapat dihitung menggunakan persamaan



L (10)

Dimana δ adalah deformasi aksial elemen (mm), L adalah panjang bentang elemen yang dihitung (mm), dan ε adalah nilai regangan material (mm/mm).

3. Hasil dan Pembahasan

3.1. Kuat Momen Arah Sumbu Kuat

Analisa Kuat Momen Nominal Arah Sumbu Kuat bahwa tinjauan kekuatan dilihat dari kuat elemen sayap profil dan tulangan baja dalam menahan gaya tekan [6]. Gaya tekan nominal yang terjadi pada elemen sayap dan tulangan baja dapat dilihat pada tabel 2 berikut:

(6)

Tabel 2. Kuat tekan elemen pada struktur castellated

Elemen Kuat tekan

Kondisi tumpuan Jepit Kondisi Tumpuan Sendi Sayap Profil

Baja tulangan d16

186.13 kN 46.11 kN

169.6 kN 40.23 kN

Dari data Tabel 2 di atas, maka dilakukan analisis iterasi untuk mendapatkan nilai beban terpusat maksimal yang bisa ditahan oleh struktur castellated. Dari proses iterasi ini didapat nilai beban maksimal sebesar 89.84 kN. Dengan beban ini akan didapatkan gaya aksial yang terjadi pada elemen sayap profil sebesar 186.13 kN dan gaya aksial pada baja tulangan sebesar 26.77 kN. Karena nilai gaya aksial sama dengan kuat tekan pada elemen sayap maka kegagalan terjadi pada elemen sayap. Beban maksimal sebesar 89.84 kN dapat dikonversi menjadi Kuat Momen Nominal yaitu sebesar 67.38 kNm.

Analisis Pushover menggunakan bantuan program SAP 2000 menunjukkan bahwa Struktru Castellated mampu menahan beban maksimal sebesar 88.74 kN. Beban maksimal ini dikonversi menjadi kuat momen nominal sebesar 66.56 kNm. Hasil output dari analisa pushover SAP 2000 berupa kurva beban-lendutan dapat dilihat pada Gambar 4 dan Gambar 5 di bawah.

Gambar 4. Kurva Beban-Lendutan Analisa Pushover SAP 2000

Gambar 5. Kondisi Lendutan dan Posisi Kegagalan pada Struktur Castellated

Sebagai pembanding, Kuat lentur nominal profil IWF 200x100x5.5x8 dihitung berdasarkan SNI-1729-2015 didapatkan nilai 48.65 kNm. Hal ini artinya proses pembuatan struktur castellated dapat menaikkan kuat lentur dari 48.65 kNm menjadi 66.56 kNm atau terjadi peningkatan sebesar 36.81 %.

3.2. Momen Nominal Arah Sumbu Lemah

Pada klasifikasi penampang yang kompak, maka nilai momen nominal arah sumbu lemah profil IWF dihitung berdasarkan kekuatan dari modulus penampang plastis elemen sayap [6].

Struktur baja castellated 362x100x5.5x8 memiliki nilai modulus penampang leleh sebesar Step 10, P = 88.74

kN

(7)

40000 mm³. Momen nominal arah sumbu lemah didapatkan dengan cara mengalikan modulus penampang plastis dan nilai tegangan material baja. Hasilnya adalah momen nominal arah sumbu lemah sebesar 9.6 kNm. Dengan cara yang sama dapat dihitung momen nominal arah sumbu lemah dari profil IWF 200x100x5.5x8 adalah sebesar 9.93 kNm. Dari analisa ini sistem castellated tidak ada pengaruh yang signifikan dalam peningkatan momen nominal arah sumbu lemah. Lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 6 di bawah.

Gambar 6. Momen Nominal arah sumbu lemah 3.4. Analisa Kuat Aksial

Tegangan kritis dihitung menggunakan persamaan (4), (5), (6), (7), (8), dan (9). Hasil dari perhitungan tersebut didapatkan nilai tegangan kritis sebesar 97.89 Mpa. Tegangan kritis ini yang mempengaruhi nilai kuat aksial tekan profil IWF. Dihitung menggunakan persamaan (3) maka didapatkan nilai kuat aksial tekan profil IWF sebesar 255 kN.

Hasil keluaran analisa pushover untuk kuat aksial tekan struktur baja castellated dapat dilihat pada tabel 3 dan Gambar 7 di bawah. Nilai kuat aksial tekan struktur baja castellated adalah sebesar 409.89 kN. Terjadi peningkatan yang cukup signifikan sebesar 60.78 % dari kuat aksial profil IWF asli. Hal ini disebabkan oleh tulangan silang pada struktur castellated berfungsi sebagai pengaku, sehingga nilai panjang efektif, Lb, menjadi lebih pendek. Semakin kecil nilai panjang efektif struktur maka kuat tekan akan semakin besar.

Tabel 3. Kuat aksial struktur baja castellated hasil analisa pushover Step Deformasi

(mm)

Axial Capacity (kN)

0 0,00 0,00

1 0,60 104,13

2 1,20 208,23

3 1,80 312,29

4 2,29 397,59

5 3,15 409,89

6 3,15 119,28

7 3,95 129,84

8 4,55 129,65

9 5,15 129,47

10 5,54 129,34

0 2 4 6 8 10 12

Castellated 362x100x5.5x8

IWF 200x100x5.5x8 Momen Nominal arah sb.lemah (kNm)

(8)

Gambar 7. Kurva Kuat Aksial-Deformasi Analisa Pushover 3.5. Kurva Interaksi Aksial-Momen

Kurva interaksi aksial-momen digunakan untuk menentukan keamanan struktur kolom dalam menahan kombinasi gaya aksial dan gaya momen. Khusus untuk struktur baja pembuatan kurva interaksi aksial-momen dapat mengikuti persamaan (11) dan (12) di bawah.

Jika (

) ... (11) Jika

(

) ... (12) Dimana: P_r = gaya aksial (N), P_c = kuat tekan nominal (N), M_rx = gaya momen arah sumbu kuat (Nmm), Mry = gaya momen arah sumbu lemah (Nmm), Mcx = momen nominal arah sumbu kuat (Nmm), Mcy = momen nominal arah sumbu lemah (Nmm).

Dengan menggunakan data-data analisis yang tercantum pada poin A.2., A.3., dan A.4 maka diperoleh kurva interaksi aksial-momen baik arah sumbu kuat maupun sumbu lemah seperti pada Gambar 8 dan Gambar 9 di bawah.

Gambar 8. Kurva Interaksi Aksial-Momen Arah Sumbu Kuat

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

0 10 20 30 40 50 60 70

Aksial Tekan Nominal

Momen Nominal arah Sumbu X IWF 200x100 Castellated 362x100

(9)

Gambar 9. Kurva Interaksi Aksial-Momen Arah Sumbu Lemah

Dari gambar 9 dan Gambar 10 di atas dapat dilihat dari kombinasi aksial nominal dan momen nominal, peningkatan paling besar terjadi pada arah sumbu kuat dari pada arah sumbu lemah.

Hal ini disebabkan karena proses castellated secara efektif hanya meningkatkan nilai momen nominal arah sumbu kuat, sedangkan momen nominal arah sumbu lemah cenderung tidak ada peningkatan.

4. Kesimpulan

Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:

1. Peningkatan momen nominal arah sumbu kuat akibat proses castellated sebesar 36.81%.

hal ini karena adanya tulangan baja sebagai pengaku sehingga bisa meniadakan efek vierendeel.

2. Proses castellated tidak mempengaruhi besarnya nilai momen nominal arah sumbu lemah.

3. Peningkatan kuat aksial tekan pada struktur baja castellated sebesar 60.78%. Peningkatan yang cukup besar ini akibat dari pengaku tulangan yang terpasang cukup rapat sehingga nilai lebar efektif menjadi lebih kecil dan memperkecil pengaruh tekuk lokal pada struktur baja castellated.

Referensi

[3] A.T.C.R.D. Oliveira, Flexural Behaviour of rectangular hole pattern castellated beam with reinforcement mortar composite (in Indonesia), Master Thesis, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, 2012.

[1] Muhamad Rusli A, Ali Murtopo, Iman Satyarno, M. Fauzie Siswanto, full height rectangular opening castellated steel beam with diagonal stiffener, Applied Mechanics and Material, Trans Tech Publications, Switzerland, 2018.

[6] Badan Standarisasi Nasional, SNI 1729 2015: Specification for stell structure building (in Indonesia), Badan Standarisasi Nasional, Jakarta, 2015.

[7] Computer & Structures Inc., CSI Analysis reference manual for SAP2000^®, ETABS^®, SAFE^® and CSiBridge^TM, University Avenue, Berkeley, California, 2011.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

0 2 4 6 8 10 12

Aksial Tekan Nominal (kN)

Momen Nominal Arah Sumbu Y (kNm) IWF 200x100 Castellated 362x100

(10)

[] I. Satyarno, D. Sulistyo, D. Heldita, A.T.C.R.D. Oliveira, full height rectangular opening castellated steel beam partially encased in reinforced mortar, Procedia Engineering. 171 (2017 176-184.

[2] Muhamad Rusli A., Prabowo Setiawan, Dessy Maimunah, and Destia Wulandari, 2019, The Effect of Hole Width on Full Height Rectangular Opening Castellated Steel Beam with Diagonal Stiffener Concerning Its Flexural Capacity, Journal of Advanced Civil and Environmental Engineering Vol.2 No.2 pp 76-84.

[3] Dessy Maimunah and Destia Wulandari, Influence of different hole width on rectangular opening castellated steel beam with steel bar reinforcement (in Indonesia), undergraduate Thesis, Universitas Islam Sultan Agung, 2019.

[4] Dewobroto, Wiryanto, Steel Structure – behavior, analysis & design – AISC 2010 2^nd Edition (in Indonesia), Penerbit Jurusan Teknik Sipil Universitas Pelita Harapan, Jakarta 2016.

[5] Chahyo Tri Adinata dan Enggal Sukadana, 2019, Pengaruh Variasi Diameter Baja Tulangan Terhadap Balok Kastela (Castellated Beam) Bentuk Lubang Segi Empat dengan Pengaku Baja Tulangan Silang, Semarang: Tugas Akhir S1 Universitas Islam Sultan Agung