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

Transkripsi

1 KAJIAN EXPERIMENTAL DAN TEORITIS EFEK BEBAN KERJA TIDAK DI PUSAT GESER, TERHADAP LATERAL BUCKLING PADA BALOK KANTILEVER STRUKTUR BAJA. TESIS Oleh TORANG SITORUS / TS FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

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 Oleh TORANG SITORUS / TS FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

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 : Program Studi : Magister Teknik Sipil Menyetujui: Komisi Pembimbing, (Dr. Ing. Hotma Panggabean) ( Ir.Daniel Rumbi Teruna, MT) Ketua Anggota Ketua Program Studi, Dekan, (Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE) (Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) Tanggal lulus : 21 Desember 2010

4 Telah diuji pada: Tanggal 21 Desember 2010 PANITIA PENGUJI TESIS Ketua Anggota : Dr. Ing. Hotma Panggabean : 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 I ω. (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 mm; I Beam 150 x 40 x mm dan I Beam 150 x50x mm. 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 i

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 mm; I beam 150 x 40 x 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 ii

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 saransaran 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, tak pernah surut memberi dorongan dan nasehat. Bapak Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu, DTM&H, MSc (CTM) Sp.A(K) selaku Rektor, Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku Dekan Fakultas Teknik, Pemerintah Republik Indonesia, khususnya BPPS Dikti, yang telah memberikan bantuan beasiswa selama masa iii

8 pendidikan di Program Pasca Sarjana. 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. Seluruh rekan Mahasiswa Program Magister Teknik Sipil umumnya dan khusus nya angkatan ke 7 tahun 2007/2008. Isteri dan Anak-anakku tercinta, yang telah memberikan dukungan selama masa pendidikan di. 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) /TS iv

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) : SMP (Negri Siraituruk Porsea) : STM HKBP (4 tahun) (P.Siantar) : Fakultas Teknik Jurusan Sipil USU : Magister Teknk Sipil Program Pascasarjana USU : C. RIWAYAT PEKERJAAN - Manager Teknik Sipil di PT.Tulung Agung Medan, sejak tahun Manager Teknik Sipil di PT.Torganda Medan,tahun Menjadi staf pengajar / dosen di Fakultas Teknik Sipil di Unversitas Sumatera Utara sejak tahun Sekarang memberi mata kuliah Struktur Bangunan Sipil dan Konstruksi Baja di Fak.Teknik Jurusan.Sipil USU Medan. v

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 Latar belakang Permasalahan Landasan teori Tujuan penelitian Manfaat penelitian... 6 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Pengantar Umum Klassifikasi dan idealisasi suatu konstruksi Konsep teori karakteristik material baja Konsep teori stabilitas struktur Elastisitas yang linier Properti penampang baja Tegangan elastis akibat momen lentur pada penampang Tegangan akibat gaya lintang pada penampang vi

11 2.8 Tegangan akibat gaya torsi pada penampang Metode Energy Pendahuluan Energi regangan, U (Strain energy) Energi potensial, V (Potensial energy) Fungsi hampiran (shape function) Tekuk lateral pada balok kantilever Metode energy dan Metode numeric pada balok kantilever Tekuk lateral pada balok I diatas dua tumpuan sederhana Tekuk lateral pada balok kantilever I di atas tumpuan jepitbebas In-Elastic buckling dan tegangan residu BAB III METODE PENGUJIAN Pemeriksaan fisik benda uji Pembuatan tumpuan dan rangka dial indikator Pembuatan benda uji Pembebanan dan tuas penggantung beban Pengujian Hasil pengujian BAB IV ANALISA HASIL PANGUJIAN DAN PEMBAHASAN Hasil laboratorium pengujian mutu baja bahan uji Perhitungan Pcr (beban kritis) dengan teoritis Hasil Pengujian Laboratorium untuk lateral buckling Benda uji balok kantilever Strip Beam 150 x mm Benda uji Balok Kantilever I Beam 150 x 40 x mm Benda uji Balok Kantilever I Beam 150 x 50 x mm vii

12 4.4 Perbedaan perolehan hasil pengujian Pcr pada struktur balok kantilever akibat letak posisi sentuh beban yang berbeda Perbedaan tegangan pada saat Pcr terjadi pada eksperimen dan teoritis Tegangan izin elastis untuk perencanaan menurut PPBBI Penyimpangan/bias hasil antara nilai eksperimen dan nilai teoritis BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN viii

13 DAFTAR GAMBAR Nomor Judul Halaman 1.1 Beban mesin katrol pada balok I Lateral buckling dan putaran sudut profil I & posisi kontak beban berbeda Contoh idealisasi komponen struktur Contoh konstruksi dua dimensi dari gabungan elemen dimensi. satu Contoh konstruksi tiga dimensi dari gabungan elemen dimensi satu Grafik tegangan regangan material baja Tiga kondisi keseimbangan statis (teori stabilitas) Komponen tegangan pada satu unit elemen solid Komponen tegangan pada satu unit elemen bidang Contoh type type penampang baja Profil umum penampang baja dinding tipis terbuka Elemen memanjang balok dengan kurvature φ Kesetimbangan gaya dan momen pada elemen balok Profil balok yang mempunyai tebal dengan adanya momen Resultan tegangan bekerja pd unit elemen panjg dz pd balok Distribusi tegangan normal akibat momen Tegangan normal dan geser pada unit elemen panjang dz pada balok Komponen tegangan pada sebuah elemen ix

14 Nomor Judul Halaman 2.17 Aliran gaya geser pada tampang berbagai profil Momen torsi pada tampang profil bulat Aliran gaya geser torsi pada tampang profil tipis tertutup Tegangan normal terjadi akibat warping Tegangan geser St.Venant pada tampang persegi akibat torsi Perputaran pada balok I kantilever akibat momen torsi Lenturan kesamping akibat adanya warping a Terjadi tegangan normal dan geser akibat Momen Mz,sv dan Mz,w Energy regangan oleh beban gaya P a Energy regangan oleh beban aksial b Energy regangan oleh beban momen lentur c Pergeseran batang karena melentur d Balok melentur oleh beban tunggal e Balok melentur oleh beban merata f Balok kantilever dengan beban Lateral buckling pada balok kantilever (a)sebelum buckling (b) terjadi buckling (c) Potongan terbuckling pada satu titik tertentu Komponen Mx dan Mz pada sb X, Y dan Z Geometrik deformasi lateral (lateral buckling) Beban di pusat geser dan pada jarak y p dari pusat geser... 39

15 2.29 Beban balok diatas dua tumpuan sederhana jarak y p dari pusat geser a Beban balok kantilever jarak y p dari pusat geser Nomor Judul Halaman 2.30 Elastic dan inelastic buckling... x Lateral buckling teoritis dan eksperimen Tegangan residu pada profil hot rolled dan las Portal balok uji dan beban Detail tumpuan jepit Elemen rakitan tumpuan jepit (ukuran dalam mm) Rangka bantalan dial indikator (ukuran dalam mm) Profil balok benda uji (ukuran dalam mm) Type balok benda uji (ukuran dalam m) Keranjang beban (ukuran dalam mm) Tuas penggantung beban Posisi tuas pembebanan Pola pergerakan dial ukur displasemen Pembacaan dial ukur untuk arah horizontal dan vertikal Kriteria pencatatan Pcr eksperimen Posisi gantungan beban pada penampang balok uji Hubungan antara beban dan displasemen balok I.Strip.Beam Hubungan antara beban dan sudut twisting (β), I.Strip.beam

16 4.3 Hubungan Antara Beban dan Perpindahan pada I.beam Hubungan Antara Beban dan Sudut Puntir (β),pada I.beam Nomor Judul Halaman xi 4.5 Hubungan Antara Beban dan Perpindahan pada I beam Hubungan Antara Beban dan Sudut Puntir (β),pada I beam Beban Pcr secara teoritis, eksperimen dan Pruntuh eksperimen Hubungan antara Lebar flens b vs Beban Pcr teoritis & eksperimen 78

17 DAFTAR TABEL xii Nomor Judul Halaman 2.1 Konstanta Warping berbagai penampang Pemilihan balok uji Hasil pengujian kekuatan tarik bahan uji Hasil nilai pengujian Pcr,eksperimen dan Pruntuh, eksperimen Persentase naik turunnya Pcr secara teoritis dan eksperimen σcr saat Pcr terjadi secara teoritis dan eksperimen Tegangan dan beban yang menentukan masing masing balok kantilever Penyimpangan/bias hasil antara nilai eksp dan nilai teoritis. 82

18 DAFTAR LAMPIRAN xiii Nomor Judul Halaman 1. Tabulasi data pembacaan Dial indikator Dokumentasi penelitian a.rekapitulasi hasil uji tarik (Tensile test) bahan uji b. Dimensionless parameter P cr untuk balok kantilever Laporan hasil uji tarik (tensile test) Lab Polyteknik Medan

19 DAFTAR NOTASI xiv 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 ε x ε ε y z = Regangan arah sb-x = Regangan arah sb-y = Regangan arah sb-z τ = Tegangan geser τ x τ τ y z = Tegangan geser arah sb-x = Tegangan geser arah sb-y = Tegangan geser arah sb-z τxy,τ yx,τ xz,τ zx,τ yz,τ zy = Komponen tegangan geser arah suatu sumbu γ = Regangan geser γ xy,γ yx,γ xz,γ zx,γ yz,γ zy = Komponen regangan geser arah suatu sumbu π = Angka tetap = 22/7 = π

20 σ = Tegangan normal υ, µ = Poisson ratio θ = Sudut twisting max, diujung balok δ = Perpindahan lateral max pusat geser, diujung balok xv = Konstanta warping I ω I = Momen inersia (momen kedua penampang) I x I y = Momen inersia terhadap sb-x = Momen inersia terhadap sb-y V = Gaya lintang (gaya geser) V x V y = Gaya lintang (gaya geser) arah sb-x = Gaya lintang (gaya geser) arah sb-y S = Momen statis (momen pertama penampang) S x = Momen statis (momen pertama penampang) terhadap sb-x x = Sumbu orthogonal x y = Sumbu orthogonal y z = Sumbu orthogonal z P = Beban terpusat A = Luas tampang original L = Panjang bentang Pcr = Beban kritis P el = Beban kondisi elastis H,h = Tinggi penampang B,b = Lebar penampang

21 E = Modulus elastisitas σ = Pertambahan tegangan L = Pertambahan panjang G = Modulus geser J = Konstanta torsi St.Venant xvi 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 σ u = Tegangan ultimate σcr = Tegangan kritis σ el = Tegangan elastis M = Momen lentur Mz = Momen lentur arah sb-z My = Momen lentur arah sb-y Mx = Momen lentur arah sb-x ε = Regangan rata rata