ANALISA NUMERIK TERHADAP VARIASI DIMENSI CASTELLATED BEAM

KHAIRUNNISA MASTUROH1)

Abstract

Steel construction is a favorable alternative in the construction of buildings and structures. Castellated profile can be a practical solution in the construction, because its characteristics are quite favorable. This analytical study, trying to investigate the level of efficiency and economy needs structural steel for building applications and optimize the castellated beam dimensions in terms of strength under loaded condition. Specimens those used were castellated steel beam profiles which is formed of steel profiles IWF.

Based on the results of theoretical calculations, the increase of depth the WF profiles can improve the force of the moment that is able to resist the profile and the higher the load that can lead to buckling in the profile. FEA calculations on solid WF profile generate the value of buckling load which is larger than theoretical calculations up to 20%. Generally the changes of opening angle do not affect on the buckling load, there are differences when it reaches 40o on the ratio 1.7 of h. Because there is a profile failure of web local buckling. The increased ratio H/h generate to decreased the buckling load. Deflection behavior shows the deflection that occurs is directly proportional to the load.

Keywords : Buckling, Castellated Profile, Deflection, Opening Angle, Ratio H/h

Abstrak

Konstruksi baja merupakan alternatif yang menguntungkan dalam pembangunan gedung dan struktur. Profil Castellated bisa menjadi solusi praktis dalam pengerjaan konstruksi, karena karakteristiknya yang cukup menguntungkan. Pada studi analisa ini, mencoba melihat tingkat efisiensi dan keekonomisan kebutuhan baja untuk aplikasi struktur gedung serta mengoptimalkan dimensi castellated beam dari segi kekuatan menerima beban. Benda uji yang digunakan adalah baja profil castellated beam yang dibentuk dari baja profil IWF.

Berdasarkan hasil perhitungan teoritis, pertambahan tinggi pada profil WF dapat meningkatkan gaya momen yang mampu ditahan profil tersebut dan semakin tinggi beban yang dapat menyebabkan tekuk pada profil. Perhitungan FEA pada profil WF solid menghasilkan nilai beban buckling yang lebih besar dibandingkan perhitungan teoritis hingga 20%. Secara umum perubahan sudut bukaan tidak berpengaruh pada beban buckling hanya saja perbedaan terlihat ketika sudut mencapai 40o pada rasio 1,7 h. Hal ini dikarenakan terjadi kegagalan profil berupa tekuk lokal pada web. Pertambahan rasio H/h menghasilkan beban tekuk yang semakin menurun. Perilaku lendutan memperlihatkan bahwa lendutan yang terjadi berbanding lurus dengan nilai beban.

Kata Kunci : Tekuk, Profil Castellated, Lendutan, Sudut Bukaan, Ratio H/h

1. PENDAHULUAN

1 Mahasiswa Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Lampung Jl. Prof. Sumantri Brojonegoro No 1 Gedong Meneng, Bandar Lampung

1.1 Latar Belakang

Konstruksi baja merupakan alternatif yang menguntungkan dalam pembangunan gedung dan struktur yang lainnya baik dalam skala kecil maupun besar. Hal ini dikarenakan material baja mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan bahan konstruksi lainnya seperti mempunyai kekuatan cukup tinggi dan merata serta bervariasi antara 300 MPa sampai 2000 MPa. Karena kekuatannya yang tinggi maka pada umumnya ukuran penampang profil baja relatif kecil sehingga berat strukturnya cukup ringan meskipun berat jenis baja tinggi. Namun biaya pemeliharaan yang diperlukan pada suatu konstruksi baja tidak sedikit, selain itu kekuatan baja dipengaruhi oleh temperatur.

Kebanyakan struktur bangunan dengan material baja menggunakan profil baja solid. Profil solid ini sudah digunakan sejak awal perkembangan era struktur baja. Seiring dengan perkembangannya dan mulai ditemukannya profil castellated, penggunaan profil baja mulai lebih beragam. Contoh konstruksi yang menggunakan profil castellated dapat dilihat pada Gambar 1 berikut.

Gambar 1. Konstruksi dengan profil Castellated

Dibandingkan dengan profil baja solid, profil Castellated bisa menjadi solusi praktis dalam pengerjaan konstruksi, karena karakteristiknya yang cukup menguntungkan.

Pada studi analisa ini, mencoba melihat tingkat efisiensi dan keekonomisan yang diukur dari kebutuhan baja (beratnya) untuk aplikasi struktur gedung. Selain itu, dengan adanya analisa ini, dapat menambah referensi bagi perencana yang berminat menggunakan material baja khususnya castellated beam dengan mengoptimalkan dimensi castellated beam dari segi kekuatan menerima beban.

1.2 Rumusan Masalah

Rumusan masalah pada penelitian ini adalah untuk mengetahui variasi pola pemotongan profil baja dengan rasio H/h serta sudut, α, yang berbeda agar dapat membuat balok yang memenuhi persyaratan teknis seperti kekuatan lentur, lendutan, dan tekuk dari web.

1.3 Batasan Masalah

Batasan masalah dalam penelitian ini adalah :1. Software yang digunakan adalah LUSAS2. Proses meshing yang dilakukan menggunakan pola jaring yang tersedia pada software

LUSAS, seperti jaring segitiga dan segiempat.3. Model yang digunakan adalah thinshell, nonlinier geometri dan nonlinier material. 4. Rasio H/h 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8 dari h.5. Sudut, α, 90°, 80°,70°, 60°; 50°, 40°.6. Perilaku yang ditinjau antara lain kekuatan lentur dan tekuk dari web.7. Baja yang digunakan SS400, dengan fy = 240 Mpa.

1.4 Tujuan Penelitian

Penelitian ini dilakukan dengan beberapa tujuan sebagai berikut:1. Mengetahui dimensi optimal dari castellated beam yang dapat memenuhi persyaratan

teknis seperti kekuatan lentur, lendutan, dan tekuk dari web.2. Mengetahui kapasitas beban yang mampu dipikul oleh suatu castellated beam dan

membandingkannya dengan kapasitas beban dari balok baja profil solid.3. Mengetahui perilaku yang mungkin terjadi pada suatu castellated beam.

1.5 Manfaat Penelitian

Manfaat yang dapat diambil dari penelitian ini adalah untuk menambah referensi bagi perencana yang berminat menggunakan material baja khususnya castellated beam dengan mengoptimalkan dimensi castellated beam dari segi kekuatan menerima beban.

2. METODE PENELITIAN

Benda uji yang digunakan adalah baja profil IWF dengan panjang 1,6 – 4,2 meter dan dipotong membentuk castellated beam dengan berbagai ukuran sebagai berikut:

1. Rasio H/h 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8 dari h.2. Sudut, α, 90°, 80°,70°, 60°; 50°, 40°.

Baja yang digunakan merupakan mild steel dengan spesifikasi SS400 (tegangan putus, fu = 400 MPa dan tegangan leleh, fy = 240 MPa). Macam profil IWF yang digunakan pada penelitian ini dapat dilihat pada Tabel 1 berikut.

Tabel 1. Macam-macam Profil IWFProfil d (mm) b (mm) tw (mm) tf (mm)WF 15 150 75 5 7WF 20 200 100 5,5 8WF 25 250 125 6 9WF 30 300 150 6,5 9WF 35 350 175 7 11

2.1 Metode LRFD

Analisis secara teoritis dilakukan dengan perhitungan desain balok I pada metode LRFD. Pada analisis ini, perlu dilakukan pengecekan terhadap batasan rasio kelangsingan untuk penampang kompak balok I kemudian dengan mengasumsikan balok berada pada kondisi inelastis maka dapat menentukan panjang bentang balok yang kemudian akan didapatkan kuat nominal momen lentur dari penampang balok.

2.2 Finite Element Analysis (FEA)

Analisis metode elemen hingga pada penelitian ini dilakukan dengan menggunakan software LUSAS. Adapun langkah-langkah yang dilakukan pada softwere tersebut sebagai berikut:

a. Benda UjiBenda uji didapatkan dengan membuat beberapa surface yang diinput dengan memasukkan titik-titik koordinat.

b. PemodelanBenda uji dimodelkan dengan menggunakan elemen thinshell seperti pada Gambar 2.

Gambar 2. Proses meshing dengan thinshell

c. Tumpuan dan Pembebanan

Tumpuan yang diberikan pada balok merupakan tumpuan sederhana yaitu sendi-rol. Pembebanan dilakukan dengan meninjau berat sendiri balok dan beban terpusat yang didistribusikan pada seluruh penampang profil, seperti pada Gambar 3 dan Gambar 4.

Gambar 3.Tumpuan dan Pembebanan

d. Hasil Output

Hasil output analisis akan mendapatkan:1. Faktor beban tekuk

2. Beban tekuk kritis

2.3 Diagram Alir Penelitian

Gambar 2. Diagram Alir Penelitian

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1 Perhitungan Teoritis

Perhitungan secara teoritis dilakukan dengan metode LRFD, dimana analisis dilakukan dengan menempatkan beban terpusat di tengah bentang berada tepat di bagian castellated beam yang utuh, sehingga perhitungan secara teoritis dilakukan tanpa memperhitungkan ada lubang-lubang pada bagian web profil. Berikut hasil perhitungan seperti pada Tabel 2.

Tabel 2 .Hasil Perhitungan Teoritis

Profil Mn (ton.m) P (ton)

Desain Balok Castella

Studi Pustaka

Mulai

Analisis

Teoritis, dengan metode LRFD FEA, dengan Software LUSAS

Selesai

Pembahasan

Pemodelan

Tumpuan&Pembebanan

Output

Rasio Kelangsingan

Panjang Bentang

Beban Kerja

WF 15

H/h = 1 2,11763 4,6931H/h = 1,1 2,24040 4,9659H/h = 1,2 2,31505 5,1318H/h = 1,3 2,22058 5,1663

Profil Mn (ton.m) P (ton)

WF 15

H/h = 1,4 2,29249 5,0795H/h = 1,5 3,02628 6,7123H/h = 1,6 3,06398 6,7961H/h = 1,7 3,10125 6,8790H/h = 1,8 3,13811 6,9608

WF 20

H/h = 1 5,1616 12,8870H/h = 1,1 5,62807 14,0532H/h = 1,2 6,06046 15,1342H/h = 1,3 6,42067 16,0347H/h = 1,4 7,02209 17,5383H/h = 1,5 6,83666 17,0747H/h = 1,6 6,84013 17,0834H/h = 1,7 7,94783 19,8526H/h = 1,8 8,03511 20,0708

WF 25

H/h = 1 6,11820 8,1134H/h = 1,1 7,77535 10,3230H/h = 1,2 7,86515 10,4427H/h = 1,3 7,95398 10,5612H/h = 1,4 8,04187 10,6783H/h = 1,5 8,12884 10,7943H/h = 1,6 8,21493 10,9091H/h = 1,7 8,30017 11,0227H/h = 1,8 8,38458 11,1353

WF 30

H/h = 1 9,46704 10,4532H/h = 1,1 9,60160 10,6027H/h = 1,2 9,73436 10,7502H/h = 1,3 9,86538 10,8958H/h = 1,4 9,99474 11,0396H/h = 1,5 10,12251 11,1815H/h = 1,6 10,24873 11,3218H/h = 1,7 10,37347 11,4604H/h = 1,8 10,49678 11,5674

WF 35

H/h = 1 15,86023 15,0011H/h = 1,1 16,02745 15,1604H/h = 1,2 16,19301 15,3181H/h = 1,3 16,35696 15,4742H/h = 1,4 16,51936 15,6289H/h = 1,5 16,68023 15,7821H/h = 1,6 16,83964 15,9339H/h = 1,7 16,99762 16,0844H/h = 1,8 17,15420 16,2335

Dari hasil perhitungan terlihat bahwa pertambahan tinggi pada profil WF dapat meningkatkan gaya momen yang mampu ditahan profil tersebut dan semakin tinggi beban yang dapat menyebabkan buckling atau tekuk pada profil. Hal ini dikarenakan pertambahan tinggi pada

suatu profil dapat meningkatkan momen inersia profil tersebut dan meningkatkan rasio kelangsingan suatu penampang.

3.2 Perhitungan Finite Element Analysis (FEA)

Perhitungan FEA dengan menggunakan software dibagi menjadi dua bagian, yaitu analisis pada profil solid atau tanpa adanya pertambahan tinggi dan profil castellated dengan rincian pertambahan tinggi (rasio H/h) dan sudut bukaan (α) seperti yang telah dibahas pada bab sebelumnya.

a. Profil solid

Dari FEA yang dilakukan pada profil WF solid, rincian hasil analisis pada masing-masing profil WF yang diuji dapat dilihat pada Tabel 3 berikut.

Tabel 3. Hasil Perhitungan FEA pada Profil WF Solid

Profil SolidBeban Buckling,

P (ton)WF 15 7,1289WF 20 25,0100WF 25 12,3219WF 30 13,4399WF 35 18,6064

Hasil perhitungan secara FEA (Tabel 2) terdapat perbedaan yang cukup jauh dengan hasil perhitungan secara teoritis (Tabel 3) dimana hasil perhitungan FEA lebih besar dibandingkan dengan perhitungan teoritis. Hal ini dikarenakan pada analisis tersebut perilaku tekuk torsi lateral yang paling menentukan oleh karena itu beban buckling yang terjadi melebihi dari yang diizinkan secara teoritis, namun beban tersebut tidak mungkin terjadi karena melebihi momen dalam pada balok sehingga balok akan terlebih dahulu leleh sebelum mencapai beban tersebut.

b. Profil Castellated

Grafik 3. Hubungan Rasio Tinggi H/h dan Beban Buckling WF 15

Pada profil WF 15, terlihat bahwa perubahan sudut bukaan pada castellated beam tidak berpengaruh secara signifikan. Beban buckling yang terjadi terus meningkat pada tiap pertambahan tinggi rasio H/h, namun beban yang mampu ditahan profil mulai mengalami penurunan di pertambahan tinggi profil dengan rasio H/h sebesar 1,3 atau dengan kata lain beban buckling tertinggi yang mampu ditahan castellated beam, terjadi ketika tinggi profil bertambah 1,4 dari tinggi profil mula-mula. Hal ini sesuai dengan perhitungan teoritis, dimana pertambahan tinggi dapat meningkatkan momen inersia sehingga beban buckling yang mampu ditahan pun bertambah. Namun suatu profil yang memiliki rasio tinggi terhadap ketebalannya memiliki resiko terjadinya tekuk lokal pada web, sehingga profil hanya mampu menahan beban buckling yang relatif kecil.

Perbedaan beban buckling yang cukup besar terjadi pada sudut bukaan 40o, terutama terjadi di rasio H/h yang besar seperti pada 1,5 h; 1,6 h; dan 1,7 h. Hal ini dikarenakan lebar section yang utuh tanpa adanya lubang pada web cukup kecil sehingga sebagian besar web profil memiliki lubang yang berakibat berkurangnya kekuatan profil dalam menahan momen karena resiko tekuk lokal pada web semakin besar.

Grafik 4. Hubungan Rasio Tinggi H/h dan Beban Buckling WF 20

Dari hasil analisis perhitungan secara FEA pada profil WF 20, terlihat bahwa semakin tinggi pertambahan rasio H/h maka beban buckling yang terjadi semakin rendah. Sama seperti yang terjadi pada profil WF 15, hal ini dikarenakan terjadi tekuk lokal pada web sehingga beban yang mampu ditahan profil mengalami penurunan di setiap pertambahan tinggi rasio H/h. Sudut bukaan pada castellated beam tidak membuat perbedaan yang cukup besar pada beban buckling. Perbedaan yang cukup mencolok hanya terjadi pada sudut bukaan sebesar 50o dan 40o. Pada sudut bukaan tersebut, peningkatan momen inersia yang terjadi karena pertambahan tinggi tidak memiliki pengaruh besar, karena lubang yang diakibatkan bukaan tersebut cukup besar sehingga kekuatan web berkurang dan mudah terjadi tekuk lokal.

Grafik 5. Hubungan Rasio Tinggi H/h dan Beban Buckling WF 25

Perubahan sudut bukaan pada castellated beam tidak memiliki pengaruh yang besar terhadap beban buckling yang mampu ditahan profil tersebut. Perbedaan yang cukup besar hanya terjadi pada sudut bukaan 40o. Selain itu, pertambahan tinggi rasio H/h hanya akan mengurangi beban buckling yang terjadi.

Secara teoritis, pertambahan tinggi pada suatu profil dapat meningkatkan momen inersia profil tersebut sehingga beban yang mampu ditahan akan berbanding lurus dengan momen inersianya. Namun, suatu profil memiliki batasan kelangsingan pada web maupun flens. Ketika pada bagian web atau flens mencapai kelangsingan tersebut maka tekuk lokal dapat terjadi yang kemudian akan mengurangi kekuatan profil tersebut. Dalam penelitian ini, resiko terjadi tekuk lokal pada web sangatlah besar, hal inilah yang menyebabkan pertambahan tinggi rasio H/h berbanding terbalik dengan beban buckling yang terjadi.

Grafik 6. Hubungan Rasio Tinggi H/h dan Beban Buckling WF 30

Beban buckling tertinggi pada profil WF 30 terjadi di pertambahan tinggi rasio H/h sebesar 1,2 yang kemudian beban buckling mulai mengalami penurunan di rasio H/h 1,3 dan seterusnya hingga di rasio tertinggi yaitu 1,8 h. Hal tersebut terjadi karena ketika rasio H/h mencapai 1,3 – 1,8 tekuk lokal pada web mulai terjadi. Sama seperti halnya yang terjadi pada profil-profil WF sebelumnya, sudut bukaan tidak berpengaruh signifikan. Namun pada sudut

bukaan terendah yaitu 40o, profil tidak mampu menahan beban dengan baik maka beban buckling yang terjadi cukup kecil.

Grafik 7. Hubungan Rasio Tinggi H/h dan Beban Buckling WF 35Pertambahan tinggi rasio H/h pada profil WF 35 sangat berpengaruh terhadap beban buckling yang terjadi. Semakin tinggi rasio H/h yang dilakukan pada profil ini maka beban bucklling yang terjadi akan semakin kecil. Hal ini dikarenakan profil castellated beam mengalami tekuk lokal pada web akibat pertambahan tinggi tersebut.

Secara umum sudut bukaan castellated beam tidak berpengaruh, namun ada perbedaan yang terlihat ketika sudut bukaan mencapai sudut 40o. Pengingkatan nilai momen inersia tidak terlalu berpengaruh ketika sudut mencapai 40o, karena bagian web yang utuh tanpa ada lubang hanya sedikit sehingga web tidak mampu menahan beban dengan baik akibat resiko tekuk lokal yang bertambah besar.

Hasil perhitungan analisis castellated beam dari keseluruhan profil WF menunjukan bahwa pada rasio 1,7 h dan sudut α 40o memiliki nilai beban buckling yang jauh berbeda dari rasio H/h dan sudut α lainnya hingga mencapai 30%. Perilaku castellated beam yang terjadi pada kondisi tersebut seperti pada Gambar 8 berikut.

Gambar 8. Perilaku Castellated Beam pada kondisi rasio 1,7 h dan α 40o

c. Lendutan

Perhitungan lendutan hanya dilakukan pada profil Solid WF 20 serta profil castellated WF 20 dengan rasio H/h sebesar 1,2 h dan pada sudut bukaan, α, 60o, 70o, dan 80o. Hal ini dikarenakan pada profil tersebut dianggap mewakili keseluruhan data. Adapun hasil perhitungan seperti pada Gambar 4.11 berikut.

Gambar 9. Grafik Hubungan Lendutan dan Bebanpada Profi WF 20

Berdasarkan grafik di atas, lendutan yang terjadi berbanding lurus dengan beban yang ditahan oleh profil tersebut atau dengan kata lain semakin besar beban yang terjadi maka semakin besar lendutannya.

4 SIMPULAN

Dari hasil penelitian dan pembahasan yang telah diuraikan sebelumnya, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :1. Berdasarkan hasil perhitungan teoritis, pertambahan tinggi pada profil WF dapat

meningkatkan gaya momen yang mampu ditahan profil tersebut dan semakin tinggi beban yang dapat menyebabkan buckling atau tekuk pada profil. Hal ini dikarenakan pertambahan tinggi pada suatu profil dapat meningkatkan momen inersia profil tersebut dan meningkatkan rasio kelangsingan suatu penampang.

2. Perhitungan FEA pada profil WF solid menghasilkan nilai beban buckling yang lebih besar dibandingkan perhitungan teoritis hingga 20%. Hal ini dikarenakan pada analisis tersebut perilaku tekuk torsi lateral yang paling menentukan oleh karena itu beban buckling yang terjadi melebihi dari yang diizinkan secara teoritis, namun beban tersebut tidak mungkin terjadi karena melebihi momen dalam pada balok sehingga balok akan terlebih dahulu leleh sebelum mencapai beban tersebut.

3. Perhitungan FEA pada profil castellated beam menghasilkan beban buckling yang berbeda-beda di masing-masing profil yang diuji dengan rasio H/h dan sudut bukaan yang diaplikasikan pada profil-profil tersebut. Pada profil WF 15, beban buckling tertinggi terjadi pada rasio H/h 1,4 dengan sudut bukaan 70o yaitu sebesar 6,4348 ton. Untuk profil WF 20 dan WF 25, beban tertinggi terjadi pada rasio H/h 1,1 dan sudut bukaan 700 yaitu sebesar 14,5246 ton dan 10,4540 ton. Pada profil WF 30, beban tertinggi terjadi ketika rasio H/h 1,1 dan sudut bukaan mencapai 80o yaitu sebesar 9,0964. Sedangkan pada profil WF 35, beban tertinggi di rasio H/h 1,2 dengan sudut bukaan 70o

yaitu sebesar 10,6304 ton.4. Secara umum perubahan sudut bukaan tidak berpengaruh pada beban buckling hanya saja

perbedaan terlihat ketika sudut mencapai 40o pada rasio 1,7 h dimana beban buckling yang terjadi jauh lebih kecil dari sudut-sudut lainnya. Hal ini disebabkan oleh bagian yang utuh pada web sangatlah kecil, hanya berkisar antara 2 – 5 mm, sehingga profil tidak mampu menahan beban yang terjadi. Beban yang cukup kecil yaitu sekitar 4 ton dapat menyebabkan tekuk yang sangat besar pada web hingga 100 mm atau dengan kata lain terjadi kegagalan profil berupa tekuk lokal web.

5. Pertambahan rasio H/h menghasilkan beban buckling yang semakin menurun, namun untuk beberapa profil bisa terjadi perilaku yang berbeda sehingga pertambahan tinggi tersebut dapat meningkatkan beban buckling.

6. Hubungan lendutan dan beban dapat digambarkan dengan garis lurus atau linier. Semakin besar beban yang terjadi, maka semakin besar lendutannya.

DAFTAR PUSTAKA

Ekhalmussaad. Design Balok Castella Dengan Menggunakan Profil I. http://ekhalmussaad.files.wordpress.com/2011/03/4-design-balok-castella-dengan-menggunakan-profil-i.doc. 01 Agustus 2011.

Grunbauer, Johann. What Makes Castellated Beams So Desirable As a Constructional Elements?. http://www.grunbauer.nl/eng/inhoud.htm . 28 Januari 2011.

Salmon, Charles G. and John E. Johnson. 1996. Struktur Baja Desain dan Perilaku. Jilid 1 Edisi Ketiga. Diterjemahkan oleh Ir. Mc. Prihminto Widodo. Jakarta : PT. Gramedia

Setiawan, Agus. 2008. Perencanaan Struktur Baja dengan Metode LRFD (Berdasarkan SNI 03-1729-2002). Semarang : PT. Erlangga.