ANALISIS TORSI PADA TAMPANG PERSEGI PANJANG DAN APLIKASI PADA KOMPONEN STRUKTUR BETON BERTULANG DENGAN MENGGUNAKAN ELEMEN GRID

Transkripsi

1 ANALISIS TORSI PADA TAMPANG PERSEGI PANJANG DAN APLIKASI PADA KOMPONEN STRUKTUR BETON BERTULANG DENGAN MENGGUNAKAN ELEMEN GRID Tugas Akhir Diajukan untuk melengkapi tugas-tugas dan memenuhi Syarat untuk menempuh ujian sarjana Teknik Sipil Disusun oleh: ERWIN SUB JURUSAN STRUKTUR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 28 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

2 LEMBAR PENGESAHAN ANALISIS TORSI PADA TAMPANG PERSEGI PANJANG DAN APLIKASI PADA KOMPONEN STRUKTUR BETON BERTULANG DENGAN MENGGUNAKAN ELEMEN GRID Tugas Akhir Diajukan untuk melengkapi tugas-tugas dan memenuhi Syarat untuk menempuh ujian sarjana Teknik Sipil Disusun oleh: ERWIN Disetujui oleh : Dosen Pembimbing Prof.Dr.Ing.Johannes Tarigan NIP SUB JURUSAN STRUKTUR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 28 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

3 ABSTRAK Penyusunan tugas akhir ini, merupakan penjabaran beberapa besaran yang berhubungan dengan torsi untuk memperoleh tabel-tabel praktis yang dapat digunakan untuk tampang persegi. Penjabaran ini dimulai dengan penurunan fungsi torsi dengan berdasarkan pada metode semi-invers Saint-Venant dengan bantuan Soap Film Analogy dari Prandtl. Dari fungsi torsi yang diperoleh, beberapa besaran yang berhubungan dengan torsi pada tampang persegi dapat diturunkan. Alasan memilih tampang persegi sebagai pembahasan dalam tugas akhir ini adalah karena tampang persegi ini banyak dijumpai pada komponen-komponen struktur di sekitar khususnya bangunan dari beton. Sedangkan di beberapa literatur, masih jarang ditemukan pembahasan tentang tampang ini secara lengkap. Pembahasan dalam tugas akhir ini, memberikan penjabaran rumus-rumus untuk menentukan tegangan geser maksimum akibat torsi dan hubungan dari beberapa besaran seperti momen torsi dan inersia torsi dengan tegangan geser maksimum ini. Hasil dari pembahasan tugas akhir ini akan disajikan dalam bentuk tabel yang memberikan hubungan antara koefisien untuk beberapa besaran yang berhubungan dengan pembahasan dan disertai dengan penjalasan singkat mengenai cara penggunaan tabel-tabel yang dihasilkan. Pada akhir dari tugas akhir ini akan diberikan sebuah aplikasi dari penggunaan hasil analisis torsi yang telah diperoleh pada suatu sistem elemen grid dalam merencanakan tulangan torsi dan tegangan geser yang terjadi. i Elemen Grid, 28. USU Repository 29

4 KATA PENGANTAR Puji syukur penulis ucapkan atas kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan anugrah, berkat dan karunia-nya hingga terselesaikannya tugas akhir ini dengan judul Analisis Torsi Pada Tampang Persegi Dan Aplikasi Pada Komponen Struktur Beton Bertulang Dengan Menggunakan Elemen Grid. Tugas akhir ini disusun untuk diajukan sebagai syarat dalam ujian sarjana teknik sipil bidang studi struktur pada fakultas teknik Universitas Sumatera Utara Medan. Penulis menyadari bahwa isi dari tugas akhir ini masih banyak kekurangannya. Hal ini disebabkan keterbatasan pengetahuan dan kurangnya pemahaman penulis. Untuk penyempurnaannya, saran dan kritik dari bapak dan ibu dosen serta rekan mahasiswa sangatlah penulis harapkan. Penulis juga menyadari bahwa tanpa bimbingan, bantuan dan dorongan dari berbagai pihak, tugas akhir ini tidak mungkin dapat diselesaikan dengan baik. Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada kedua orang tua yang senantiasa penulis cintai yang dalam keadaan sulit telah memperjuangkan hingga penulis dapat menyelesaikan perkuliahan ini. Ucapan terima kasih juga penulis ucapkan kepada : 1. Bapak Dr.Ing.Johannes Tarigan. Selaku dosen pembimbing dan juga selaku Ketua Departemen Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara yang telah banyak meluangkan waktu, tenaga dan pikiran untuk memberikan bimbingan dalam menyelesaikan tugas akhir ini 2. Bapak Ir.Teruna Jaya, M.Sc. Selaku Sekretaris Departemen Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara ii Elemen Grid, 28. USU Repository 29

5 3. Bapak/Ibu staf pengajar jurusan teknik sipil Universitas Sumatera Utara. 4. Seluruh pegawai administrasi yang telah memberikan bantuan dan kemudahan dalam penyelesaian administrasi 5. Untuk sahabat-sahabat terbaikku Mayjen, Nuel, Robby, Perdi, Erwin FS, Leo, Roy, Samuella, Andrew, Nando, Benny, Budiman, Syawal, Rizky, Ica, Sheila, Syafirah, Dian, Dini, Nova, Joko, Erick, Ari Gelap, Wija, Welling, Mike, Meijer, Emir, Topan, Suryo, Ary, Dody, Acca, Verik, Novrizal, Mario, Freddi, Juntriman, Egy, Daniel, Joseph, Jaka, Kingson, para Spice (Muti, Agustina, Siska, Indah, Grace), Orry, Gafur, Andi, Aswin, Nailul, dan teman-teman stambuk 4 lainnya, buat doa, semangat dan dukungan kalian. May our friendship will be everlasting no matter where we are tomorrow 6. Seluruh rekan-rekan mahasiswa-mahasiswi jurusan teknik sipil. Akhir kata penulis mengharapkan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Medan, Juni 28 Erwin iii Elemen Grid, 28. USU Repository 29

6 DAFTAR ISI Abstrak... Kata Pengantar... Daftar Isi... Daftar Notasi... Daftar Tabel... Daftar Gambar... i ii iv vi x xi BAB I Pendahuluan... 1 I.1. Latar Belakang Masalah... 1 I.2. Permasalahan... 3 I.3. Maksud dan Tujuan... 3 I.4. Pembatasan Masalah... 4 I.5. Metodologi Pembahasan... 5 BAB II Tinjauan Pustaka... 8 II.1. Dasar-Dasar Teori... 8 II.1.1. Pengantar Torsi... 8 II.1.2. Elastisitas... 1 II.1.3. Tegangan... 1 II.1.4. Regangan II.1.5. Hukum Hooke II.1.6. Analogi Membrane Elastic oleh Prandtl (Soap Film Analogy) II.1.7. Metode Elemen Hingga Untuk Elemen Grid iv Elemen Grid, 28. USU Repository 29

7 II.2. Analisis Torsi Pada Tampang Sembarang II.2.1. Metode Semi-Invers Saint-Venant II.2.2. Hubungan Antara Momen Torsi Dengan Fungsi Torsi II.3. Torsi Pada Beton Bertulang BAB III Torsi Pada Tampang Persegi III.1. Fungsi Torsi III.2. Tegangan Torsi... 4 III.3. Inersia Torsi III.4. Hubungan Antara Momen Torsi Dengan Tegangan Torsi Maksimum BAB IV Cara Penggunaan Tabel... 5 IV.1. Penggunaan Tabel III.1, Tabel.III.2, dan Tabel.III.3 Untuk Menghitung Besarnya Tegangan Geser Maksimum Pada Suatu Tampang Persegi... 5 IV.2. Penggunaan Tabel III.4 Untuk Menghitung Besarnya Inersia Torsi Pada Suatu Tampang Persegi IV.3. Penggunaan Tabel III.5 Untuk Menghitung Besarnya Tegangan Geser Maksimum Arah zy Pada Suatu Tampang Persegi Jika Besarnya Momen Torsi yang Telah Diperoleh BAB V Aplikasi Analisis Torsi Pada Tampang Persegi dan Pembahasan V.1. Aplikasi Besaran Inersia Torsi Dalam Menghitung Gaya Dalam Pada Sistem Balok Bersilang dari Beton Bertulang V.2. Aplikasi Besaran Tegangan Torsi Dalam Menghitung Tegangan Geser Maksimum yang Terjadi Pada Tampang Persegi v Elemen Grid, 28. USU Repository 29

8 V.3. Pembahasan BAB VI Penutup... 8 VI.1. Kesimpulan... 8 VI.2. Saran Daftar Pustaka Lampiran vi Elemen Grid, 28. USU Repository 29

9 DAFTAR NOTASI A A o A oh = Luas potongan penampang = Luas bruto yang dibatasi oleh lintasan aliran geser = Luas daerah yang dibatasi oleh garis pusat tulangan sengkang torsi terluar A l A t = Luas tulangan torsi longitudinal = Luas satu kaki sengkang tertutup yang menahan puntir dalam daerah sejarak s E F x F y G M T P P h Pn S T T u T n V c V u X Y = Modulus elastisitas = Gaya sejajar sumbu x = Gaya sejajar sumbu y = Modulus geser = Momen torsi per satuan panjang = Gaya Luar Total = Keliling dari garus pusat tulangan sengkang torsi terluar = Gaya luar yang bekerja pada elemen = Gaya inisial dalam gaya per satuan panjang = Momen torsi = Momen torsi ultimate = Momen torsi rencana = Kuat geser nominal yang disumbangkan oleh beton = Gaya geser ultimate = Komponen gaya per satuan volume sejajar sumbu x = Komponen gaya per satuan volume sejajar sumbu y vii Elemen Grid, 28. USU Repository 29

10 Y n Z b n b w d ds dx dy dz = Fungsi y yang tidak bergantung pada x = Komponen gaya per satuan volume sejajar sumbu z = Koefisien konstanta = Lebar badan balok = Jarak dari serat tekan terluar ke titik berat tulangan tarik longitudinal = Panjang sisi elemen kecil = Panjang sisi elemen kecil yang sejajar sumbu x = Panjang sisi elemen kecil yang sejajar sumbu y = Panjang sisi elemen kecil yang sejajar sumbu z f c = Kuat tekan beton yang disyaratkan f y f yt f yv k 1 k 2 k 3 = Kuat leleh yang disyaratkan untuk tulangan non-prategang = Kuat leleh tulangan torsi longitudinal = Kuat leleh tulangan sengkang torsi = Konstanta tegangan maksimum arah zy untuk tampang persegi = Konstanta tegangan maksimum arah zx untuk tampang persegi = Konstanta rasio tegangan maksimum arah zx terhadap arah zy untuk tampang persegi k 4 k 5 = Konstanta inersia torsi untuk tampang persegi = Konstanta hubungan antara momen torsi dengan tegangan maksimum arah zy p q s = Tekanan lateral dalam gaya per satuan luas = Beban per satuan panjang = Spasi tulangan geser atau puntir dalam arah pararel dengan tulangan longitudinal viii Elemen Grid, 28. USU Repository 29

11 u v w = komponen perpindahan elemen dalam arah x = komponen perpindahan elemen dalam arah y = komponen perpindahan elemen dalam arah z x, y, z = Sumbu koordinat utama Φ Θ β γ = Koefisien reduksi untuk geser dan torsi = Sudut diagonal tekan pada penerapan analogi rangka untuk torsi = Sudut puntir = Regangan geser γ xy, γ yx = Regangan geser sejajar bidang xy γ xz, γ zx = Regangan geser sejajar bidang xz γ yz, γ zy = Regangan geser sejajar bidang yz δa δp Є Є x Є y Є z σ σ y σ x σ z τ = Luasan kecil pada potongan penampang = Resultan gaya yang bekerja pada potongan kecil δa = Perpanjangan elemen = Perpanjangan elemen dalam arah x = Perpanjangan elemen dalam arah y = Perpanjangan elemen dalam arah z = Laju puntir per satuan panjang = Angka perbandingan Poisson = Tegangan normal = Tegangan normal yang sejajar sumbu x = Tegangan normal yang sejajar sumbu y = Tegangan normal yang sejajar sumbu z = Tegangan geser ix Elemen Grid, 28. USU Repository 29

12 τ xy τ xz τ yx τ yz τ zx τ zy (x,y) = Tegangan geser yang sejajar sumbu y dan tegak lurus sumbu x = Tegangan geser yang sejajar sumbu z dan tegak lurus sumbu x = Tegangan geser yang sejajar sumbu x dan tegak lurus sumbu y = Tegangan geser yang sejajar sumbu z dan tegak lurus sumbu y = Tegangan geser yang sejajar sumbu x dan tegak lurus sumbu z = Tegangan geser yang sejajar sumbu y dan tegak lurus sumbu z = Fungsi torsi = Fungsi warping x Elemen Grid, 28. USU Repository 29

13 DAFTAR TABEL Tabel.III.1 : Nilai Konstanta Tegangan Maksimum Arah zy (k 1 ) Untuk Tampang Persegi Tabel.III.2 : Nilai Konstanta Tegangan Maksimum Arah zx (k 2 ) Untuk Tampang Persegi Tabel.III.3 : Nilai Konstanta Perbandingan Antara τ zx max Terhadap τ zy max (k 3 ) Untuk Tampang Persegi Tabel.III.4 : Nilai Konstanta Inersia Torsi (k 4 ) Untuk Tampang Persegi Tabel.III.5 : Nilai Konstanta Hubungan Antara Momen Torsi Dengan Tegangan Geser Maksimum (k 5 ) Untuk Tampang Persegi Tabel.V.1 : Nilai-Nilai Konstanta Untuk Tampang Persegi xi Elemen Grid, 28. USU Repository 29

14 DAFTAR GAMBAR Gambar.II.1 : Ilustrasi Torsi yang Terjadi Pada Pelat dan Balok... 9 Gambar.II.2 : Arah Kerja Torsi Sesuai Dengan Kaidah Tangan Kanan dan Panah Lengkung... 9 Gambar.II.3 : Benda Tampang Sembarang yang Dibebani oleh Gaya-Gaya Luar Gambar.II.4 : Komponen-Komponen Tegangan yang Bekerja Pada Potongan Kubus Kecil Gambar.II.5 : Potongan Melintang Kubus yang Melalui Titik P Gambar.II.6 : Komponen-Komponen Tegangan yang Bekerja Pada Potongan Kubus Kecil Dimana Gaya Luar Per Satuan Volume X, Y, Z Bekerja Gambar.II.7 : Elemen Kecil Berdimensi dx dy dz Gambar.II.8 : Perpindahan Titik-Titik P, A, dan B Gambar.II.9 : Perubahan Bentuk Segi Empat Parelellogram Gambar.II.1 : Analogi Selaput Sabun (Soap Film Analogy) Gambar.II.11 : Titik Simpul dan Elemen Gambar.II.12 : Derajat Kebebasan Pada Elemen Grid Gambar.II.13 : Transformasi ke Sumbu Global Gambar.II.14 : Elemen Torsi Dengan Tampang Sembarang Gambar.II.15 : Potongan Melintang Suatu Elemen Torsi Gambar.II.16 : Potongan Melintang Elemen Torsi Gambar.III.1 : Tampang Persegi Gambar.III.2 : Tegangan Geser Akibat Torsi Pada Tampang Persegi xii Elemen Grid, 28. USU Repository 29

15 Gambar.IV.1 : Ilustrasi Sistem Balok Bersilang Gambar.IV.2 : Denah Gambar.IV.3 : Beban Segitiga Pada Lantai Gambar.IV.4 : Beban Lantai yang Dipikul Balok Gambar.IV.5 : Model Struktur xiii Elemen Grid, 28. USU Repository 29

16 BAB I PENDAHULUAN I.1. Latar Belakang Masalah Selama ini masalah torsi sangat jarang dibahas dalam teknik sipil. Umumnya beban-beban yang dikenal dan diperhitungkan dalam struktur adalah berupa gaya aksial dan beban vertikal. Hal ini disebabkan karena pengaruh torsi ini memang sangat kecil dan dapat diabaikan bila bentuk bangunan simetri. Dan mengingat bentuk-bentuk bangunan lazimnya memang memiliki bentuk yang beraturan, maka pengaruh torsi ini menjadi kurang berpengaruh. Namun, dengan berkembangnya konstruksi yang tidak lagi simetri, maka beban torsi pun mulai menentukan terhadap struktur sebuah bangunan. Beban torsi tidak dapat lagi diabaikan. Walaupun jarang dibahas dalam kuliah perencanaan, namun sebenarnya torsi selalu terjadi pada komponen-komponen bangunan seperti balok dan kolom. Beban-beban dari pelat lantai dan balok anak akan menimbulkan suatu momen torsi tertentu pada balok. Sedangkan pada kolom, momen torsi akan terjadi jika ada gaya horizontal yang terjadi. Sebagai contoh gaya horizontal ini yaitu gaya gempa maupun gaya angin. Salah satu contoh bentuk denah bangunan yang sangat berbahaya atau rawan terhadap torsi yaitu bentuk bangunan yang memiliki perbandingan panjang dan lebar yang cukup besar maupun suatu bangunan dengan bentuk denah L. Jika gempa terjadi, maka momen torsi yang ditimbulkan akan sangat besar karena bentang yang panjang. 1 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

17 Dalam pembahasan tentang gempa juga, torsi merupakan suatu hal yang sangat berbahaya terhadap struktur bangunan. Dalam setiap perencanaan yang dianalisis dengan analisis dinamik, mode yang paling dihindari sebagai mode pertama dari suatu struktur adalah torsi. Jika hal ini sampai terjadi, maka bangunan tidak akan dapat bertahan. Hal-hal di atas telah memberikan beberapa gambaran akan pentingnya gaya torsi untuk ikut diperhitungkan dalam suatu perencanaan struktur bangunan. Bentuk pembahasan mengenai torsi yang paling sederhana yaitu pengaruh torsi pada tampang bulat. Pembahasan ini banyak kita jumpai dari beberapa literatur. Dan pembahasannya pun cukup sederhana. Berbeda dengan tampang bulat, pengaruh torsi pada tampang persegi panjang menjadi suatu permasalahan yang cukup kompleks untuk dibahas. Namun, pada struktur-struktur bangunan, tentu saja tampang persegi panjang sering dijumpai terutama pada struktur bangunan beton bertulang, khususnya balok. Kolom berbentuk persegi panjang juga banyak dijumpai. Oleh karena itu, dalam tugas akhir ini, Penulis akan menjabarkan beberapa besaran yang berhubungan dengan torsi yang kemudian akan digunakan dalam perencanaan struktur beton bertulang yaitu tegangan torsi dan inersia torsi. Tegangan torsi akan digunakan untuk perencanaan tulangan geser pada komponen struktur beton bertulang sedangkan inersia torsi akan digunakan untuk menganalisis gaya dalam (momen torsi) yang terjadi dalam komponen struktur dengan menggunakan metode Finite Element. 2 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

18 I.2. Permasalahan Yang menjadi permasalahan yang akan dibahas dalam tugas akhir ini adalah bagaimana cara mendapatkan suatu fungsi torsi untuk tampang persegi. Fungsi torsi ini kemudian akan diperlukan untuk menghitung tegangan geser yang terjadi pada suatu tampang persegi dimana besarnya tegangan geser torsi adalah turunan pertama dari fungsi torsi terhadap panjang sisi persegi. Fungsi torsi ini akan diturunkan dari suatu persamaan umum torsi dengan memasukkan kondisi-kondisi batas untuk bentuk persegi. Kemudian persamaan ini akan diselesaikan hingga diperoleh suatu fungsi torsi yang kemudian dapat digunakan untuk menghitung tegangan geser puntir maupun inersia torsi untuk tampang persegi. I.3. Maksud dan Tujuan Adapun maksud dan tujuan utama penulisan tugas akhir ini adalah untuk memperoleh tabel-tabel praktis yang dapat digunakan untuk perhitungan tegangan torsi dan inersia torsi pada tampang persegi panjang dengan perbandingan ukuran panjang (b) dan lebar (a) tampang yang bervariasi. Tabel-tabel yang dibuat dalam tugas akhir ini adalah tabel yang berisikan nilai-nilai konstanta yang diperlukan untuk memudahkan perhitungan besaran-besaran seperti tegangan torsi, momen torsi, inersia torsi, serta hubungan antara momen torsi dengan tegangan torsi. Tabel-tabel yang diperoleh ini akan diaplikasikan ke dalam penggunaan umum seperti salah satu contohnya yaitu nilai inersia torsi. Nilai inersia torsi dibutuhkan sebagai salah satu komponen untuk menentukan kekakuan struktur dalam analisis struktur dengan elemen hingga yang pada saat ini banyak digunakan. Inersia torsi ini diperlukan untuk menganalisis suatu struktur yang mengalami torsi. 3 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

19 Hubungan antara momen torsi dan tegangan torsi diperlukan karena pada umumnya melalui analisa struktur yang diperoleh terlebih dahulu adalah gaya-gaya dalam pada suatu komponen struktur dimana momen torsi termasuk salah satunya. Dari nilai momen yang diperoleh kemudian dengan bantuan tabel yang diperoleh dari tugas akhir ini, besarnya tegangan geser pada suatu tampang persegi dapat diperoleh dengan mudah. Tugas akhir ini juga bertujuan untuk memberikan gambaran akan pentingnya analisis torsi pada suatu bangunan khususnya pada suatu elemen grid, contohnya sistem balok anak. Dari hasil-hasil analisis yang diperoleh, pada akhir tugas akhir ini akan diberikan sebuah contoh aplikasi analisis torsi pada suatu elemen grid dalam menghitung momen torsi yang terjadi serta bagaimana cara merencanakan tulangan untuk menahan momen torsi ini. I.4. Pembatasan Masalah Dalam tugas akhir ini akan dibahas mengenai analisis torsi pada tampang persegi dimana penurunan deformasi torsinya akan diturunkan dengan menggunakan bantuan tampang lingkaran, sedangkan untuk menentukan persamaan torsi didasarkan kepada Hukum Hooke dengan menggunakan bantuan Metode Semi-Invers Saint Venant dan penurunan fungsi torsinya didasarkan pada metode Prandtl (Soap Film Analogy). Pembahasan utama dari tugas akhir ini adalah hingga memperoleh tabeltabel praktis yang diperlukan untuk perhitungan tegangan torsi, inersia torsi, dan hubungan antara momen torsi dengan tegangan torsi. Aplikasi pada struktur beton bertulang hanya merupakan tambahan untuk memperjelas penggunaan hasil dari 4 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

20 tugas akhir ini. Sehingga pembahasan tentang struktur beton bertulang secara terperinci tidak termasuk di dalam tugas akhir ini. Model yang digunakan untuk aplikasi dari hasil analisis torsi ini adalah model sistem balok bersilang dimana biasanya momen torsi yang terjadi cukup besar untuk diperhitungkan. Bahan yang digunakan adalah beton bertulang. Analisis struktur dilakukan dengan Finite Element Methode untuk elemen grid. Kontrol analisis struktur dengan menggunakan program SAP2. Perencanaan tulangan untuk torsi didasarkan pada SNI I.5. Metodologi Pembahasan Metode yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah literatur yaitu dengan mengumpulkan data-data dan keterangan dari buku-buku yang berhubungan dengan pembahasan pada tugas akhir ini serta masukan-masukan dari dosen pembimbing. Untuk perhitungan tabel-tabel dilakukan dengan bantuan program Microsoft Excel 27. Sedangkan untuk perhitungan gaya-gaya dalam yang terjadi pada komponen struktur dilakukan dengan metode Finite Element yang kemudian hasilnya akan dikontrol dengan bantuan program SAP2. Berikut ini adalah metodologi dalam penulisan Tugas Akhir ini : I. Pendahuluan I.1. Latar Belakang Masalah I.2. Permasalahan I.3. Maksud dan Tujuan I.4. Pembatasan Masalah I.5. Metodologi Pembahasan 5 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

21 II. Tinjauan Pustaka II.1. Dasar-Dasar Teori II.1.1. Pengantar Torsi II.1.2. Elastisitas II.1.3. Tegangan II.1.4. Regangan II.1.5. Hukum Hooke II.1.6. Analogi Membrane Elastic oleh Prandtl (Soap Film Analogy) II.1.7. Metode Elemen Hingga Untuk Elemen Grid II.2. Analisis Torsi Pada Tampang Sembarang II.2.1. Metode Semi-Invers Saint-Venant II.2.2. Hubungan Antara Momen Torsi Dengan Fungsi Torsi II.3. Torsi Pada Beton Bertulang III. Analisis Torsi Pada Tampang Persegi III.1. Fungsi Torsi III.2. Tegangan Torsi III.3. Inersia Torsi III.4. Hubungan Antara Momen Torsi Dengan Tegangan Torsi Maksimum IV. Cara Penggunaan Tabel IV.1. Penggunaan Tabel III.1, Tabel.III.2, dan Tabel.III.3 Untuk Menghitung Besarnya Tegangan Geser Maksimum Pada Suatu Tampang Persegi IV.2. Penggunaan Tabel.III.4 Untuk Menghitung Besarnya Inersia Torsi Pada Suatu Tampang Persegi 6 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

22 IV.3. Penggunaan Tabel.III.5 Untuk Menghitung Besarnya Tegangan Geser Maksimum Arah zy Pada Suatu Tampang Persegi Jika Besarnya Momen Torsi yang Telah Diperoleh V. Aplikasi Analisis Torsi Pada Tampang Persegi dan Pembahasan V.1. Aplikasi Besaran Inersia Torsi Dalam Menghitung Gaya Dalam Pada Sistem Balok Bersilang dari Beton Bertulang V.2. Aplikasi Besaran Tegangan Torsi Dalam Menghitung Tegangan Geser Maksimum yang Terjadi Pada Tampang Persegi V.3. Pembahasan VI. Penutup VI.1. Kesimpulan VI.2. Saran 7 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

23 BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1. Dasar-Dasar Teori 1.1. Pengantar Torsi Torsi adalah puntir yang terjadi pada batang lurus apabila batang tersebut dibebani momen yang cenderung menghasilkan rotasi terhadap sumbu longitudinal batang. Sebagai contoh dalam kehidupan sehari-hari yaitu jika seseorang memutar obeng, maka tangannya memberikan torsi ke obeng. Demikian pula halnya dengan komponen struktur suatu bangunan. Jika diperhatikan lebih seksama, sebenarnya balok-balok pada bangunan mengalami torsi akibat beban-beban pada pelat. Demikian pula halnya dengan kolom. Namun torsi pada kolom kebanyakan diakibatkan oleh gaya-gaya yang arahnya horizontal seperti gaya angin ataupun gempa. Berikut ini beberapa ilustrasi yang memperlihatkan adanya torsi yang terjadi pada balok dan kolom. Torsi timbul karena adanya gaya-gaya yang membentuk kopel yang cenderung memuntir batang terhadap sumbu longitudinalnya. Seperti diketahui dari statika, momen kopel merupakan hasil kali dari gaya dan jarak tegak lurus antara garis kerja gaya. Satuan untuk momen pada USCS adalah (lb-ft) dan (lb-in), sedangkan untuk satuan SI adalah (N.m). Untuk mudahnya, momen kopel sering dinyatakan dengan vektor dalam bentuk panah berkepala ganda. Panah ini berarah tegak lurus bidang yang mengandung kopel, sehingga dalam hal ini kedua panah sejajar dengan sumbu batang. Arah momen ditunjukkan dengan kaidah tangan kanan untuk vektor momen 8 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

24 yaitu dengan menggunakan tangan kanan, empat jemari selain jempol dilipat untuk menunjukkan momen sehingga jempol akan menunjuk ke arah vektor. Representasi momen yang lain adalah dengan menggunakan panah lengkung yang mempunyai arah torsi. Lihat Gambar.II.2. T Balok Berat Pelat Balok Beban Angin atau Gempa Beban Angin atau Gempa T Gambar.II.1.Ilustrasi Torsi yang Terjadi Pada Pelat dan Balok P T T P T T Gambar.II.2.Arah Kerja Torsi Sesuai Dengan Kaidah Tangan Kanan dan Panah Lengkung 9 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

25 Momen yang menghasilkan puntir pada suatu batang disebut momen puntir atau momen torsi. Batang yang menyalurkan daya melalui rotasi disebut poris atau as (shaft). Dalam tugas akhir ini, shaft yang akan dibahas secara khusus adalah shaft yang berbentuk persegi yang dalam bidang teknik struktur bangunan banyak dijumpai yaitu pada balok dan kolom struktur beton bertulang Elastisitas Elastisitas ialah sifat suatu bahan apabila gaya luar mengakibatkan perubahan bentuk (deformation) tidak melebihi batas tertentu, maka perubahan bentuk akan hilang setelah gaya dilepas. Hampir semua bahan teknik memiliki sifat elastisitas ini. Dalam pembahasan torsi dalam tugas akhir ini, bahan-bahan akan dianggap bersifat elastis sempurna yaitu benda akan kembali seperti semula secara utuh setelah gaya yang bekerja padanya dilepas Tegangan Tegangan didefinisikan sebagai intensitas gaya yang bekerja pada tiap satuan luas bahan. Untuk menjelaskan ini, maka akan ditinjau sebuah benda yang dalam keadaan setimbang seperti terlihat pada Gambar.II.3. Akibat kerja gaya luar P 1, P 2, P 3, P 4, P 5, P 6, dan P 7, maka akan terjadi gaya dalam di antara benda. Untuk mempelajari besar gaya ini pada titik sembarang O, maka benda diandaikan dibagi menjadi dua bagian A dan B oleh penampang mm yang melalui titik O. 1 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

26 z P1 P2 m B P7 O x P3 A y m P4 P6 P5 Gambar.II.3.Benda Tampang Sembarang yang Dibebani oleh Gaya-Gaya Luar Kemudian tinjaulah salah satu bagian ini, misalnya A. Bagian ini dapat dinyatakan dalam keadaan setimbang akibat gaya luar P 1, P 2, P 3, P 4, P 5, P 6, P 7 dan gaya dalam terbagi di sepanjang penampang mm yang merupakan kerja bahan. Oleh karena intensitas distribusi ini, tegangan dapat diperoleh dengan membagi gaya tarik total P dengan luas potongan penampang A. Untuk memperoleh besar gaya yang bekerja pada luasan kecil δa, misalnya dari potongan penampang mm pada titik O, dapat diamati bahwa gaya yang bekerja pada elemen luas ini diakibatkan oleh kerja bahan bagian B terhadap bahan bagian A yang dapat diubah menjadi sebuah resultante δp. Apabila tekanan terus diberikan pada luas elemen δa, harga batas δp/δa akan menghasilkan besar tegangan yang bekerja pada potongan penampang mm pada titik O. arah batas resultante δp adalah arah tegangan. 11 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

27 Umumnya, arah tegangan ini miring terhadap luas δa tempat gaya bekerja sehingga dapat diuraikan menjadi dua komponen tegangan yaitu tegangan normal yang tegak lurus terhadap luas dan tegangan geser yang bekerja pada bidang luas δa. Tegangan normal dinotasikan dengan huruf σ dan tegangan geser dengan huruf τ. Untuk menunjukkan arah bidang dimana tegangan tersebut bekerja, digunakan subskrip terhadap huruf-huruf ini. Tegangan normal menggunakan sebuah subskrip yang menunjukkan arah tegangan yang sejajar terbadap sumbu koordinat tersebut, sedangkan tegangan geser menggunakan dua buah subskrip dimana huruf pertama menunjukkan arah normal terhadap bidang yang ditinjau dan huruf kedua menunjukkan arah komponen tegangan. Gambar.II.4 menunjukkan arah komponenkomponen tegangan yang bekerja pada suatu elemen kubus kecil pada titik O pada Gambar.II.1. z σz x τzx y τzy σy τxy τyx τxz σx τyz τyz σx τxz P τyx τxy σy τzy τzx σz Gambar.II.4.Komponen-Komponen Tegangan yang Bekerja Pada Potongan Kubus Kecil Untuk menjelaskan tegangan yang bekerja pada keenam sisi elemen ini diperlukan tiga simbol σ x, σ y, σ z untuk tegangan normal dan enam simbol τ xy, τ yx, τ xz, 12 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

28 τ zx, τ yz, τ zy untuk tegangan geser. Dengan meninjau kesetimbangan elemen secara sederhana, maka jumlah simbol tegangan geser dapat dikurangi menjadi tiga. z τzx τxz C τxz P τzx x Gambar.II.5.Potongan Melintang Kubus yang Melalui Titik P Apabila momen gaya yang bekerja pada elemen terhadap garis yang melalui titik tengah C dan sejajar sumbu x, maka hanya tegangan permukaan yang diperlihatkan pada Gambar.II.5 yang perlu ditinjau. Gaya benda, seperti berat elemen, dapat diabaikan karena semakin kecil ukuran elemen, maka gaya benda yang bekerja padanya berkurang sebesar ukuran linier pangkat tiga. Sedangkan gaya permukaan berkurang sebesar ukuran linier kuadrat. Oleh karena itu, untuk elemen yang sangat kecil, besar gaya benda sangat kecil jika dibandingkan dengan gaya permukaan sehingga dapat dihilangkan ketika menghitung momen. Dengan cara yang sama, orde momen akibat ketidak-merataan distribusi gaya normal lebih tinggi dibandingkan dengan orde momen akibat gaya geser dan menjadi nol dalam limit. Juga gaya pada masing-masing sisi dapat ditinjau sebagai luas sisi kali tegangan di tengah. Jika ukuran elemen kecil pada Gambar.II.5 adalah dx, dy, dz, maka momen gaya terhadap P, maka persamaan kesetimbangan elemen ini adalah : τ xz dx dy dz = τ zx dx dy dz (II.1) 13 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

29 Dua persamaan lain dapat diperoleh dengan cara yang sama sehingga didapatkan : τ xy = τ yx τ zx = τ xz τ zy = τ yz (II.2) Dengan demikian enam besaran σ x, σ y, σ z, τ xy = τ yx, τ zx = τ xz, τ zy = τ yz cukup untuk menjelaskan tegangan yang bekerja pada koordinat bidang melalui sebuah titik. Besaran-besaran ini disebut komponen tegangan pada suatu titik. Jika kubus pada Gambar II.5 diberikan suatu komponen gaya per satuan volume sebesar X, Y, Z pada masing-masing sumbu x, y, dan z maka gambar komponen tegangan dalam Gambar.II.5 akan menjadi seperti pada Gambar.II.6 di bawah ini dan persamaan kesetimbangan akan dapat diperoleh dengan menjumlahkan semua gaya pada elemen dalam arah x yaitu : [(σ x + jσ x ) σ x ] j y j z + [(τ yx + jτ yx ) τ yx ] j x j z + [(τ zx + jτ zx ) τ zx ] j x j y + X j x j y j z = [(σ y + jσ y ) σ y ] j x j z + [(τ xy + jτ xy ) τ xy ] j y j z + [(τ zy + jτ zy ) τ zy ] j x j y + Y j x j y j z = [(σ z + jσ z ) σ z ] j x j y + [(τ xz + jτ xz ) τ xz ] j y j z + [(τ yz + jτ yz ) τ yz ] j x j z + Z j x j y j z = z σz + σz x τzx + τzx y τzy + τzy σy τxy τyx τxz + τxz τyz + τyz σx σx + σx τyz τxz P τyx + τyx τxy + τxy σy + σy τzy τzx σz Gambar.II.6.Komponen-Komponen Tegangan yang Bekerja Pada Potongan Kubus Kecil Dimana Gaya Luar Per Satuan Volume X, Y, Z Bekerja 14 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

30 Sesudah dibagi dengan jx, jy, jz, dan seterusnya hingga batas penyusutan elemen hingga titik x, y, z maka akan didapatkan : = = (II.3) = Persamaan (II.3) ini harus dipenuhi di semua titik di seluruh volume benda. Tegangan berubah di seluruh volume benda, dan apabila sampai pada permukaan, tegangan-tegangan ini harus sedemikian rupa sehingga setimbang dengan gaya luar yang bekerja pada permukaan benda Regangan Regangan didefinisikan sebagai suatu perbandingan antara perubahan dimensi suatu bahan dengan dimensi awalnya. Karena merupakan rasio antara dua panjang, maka regangan ini merupakan besaran tak berdimensi, artinya regangan tidak mempunyai satuan. Dengan demikian, regangan dinyatakan hanya dengan suatu bilangan, tidak bergantung pada sistem satuan apapun. Harga numerik dari regangan biasanya sangat kecil karena batang yang terbuat dari bahan struktural hanya mengalami perubahan panjang yang kecil apabila dibebani. Dalam membahas perubahan bentuk benda elastis, selalu dianggap bahwa benda terkekang sepenuhnya sehingga tidak bisa bergerak sebagai benda kaku sehingga tidak mungkin ada perpindahan partikel benda tanpa perubahan bentuk benda tersebut. 15 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

31 Pada pembahasan ini yang ditinjau hanya perubahan bentuk yang kecil yang biasa terjadi pada struktur teknik. Perpindahan kecil pertikel yang berubah bentuk ini diuraikan ke dalam komponen u, v, w berturut-turut sejajar dengan sumbu koordinat. Besar komponen ini dianggap sangat kecil dan bervariasi di seluruh volume benda. z dy dx O x dz A P C B y Gambar.II.7.Elemen Kecil Berdimensi dx dy dz Tinjau elemen kecil dx dy dz dari sebuah benda elastis seperti terlihat pada Gambar.II.7. Apabila benda mengalami perubahan bentuk dan u, v, w merupakan komponen perpindahan titik P, perpindahan titik di dekatnya, A, dalam arah x pada sumbu x adalah orde pertama dalam dx, yaitu u + (ju/jx) dx akibat pertambahan fungsi u sebesar (ju/jx) dx sesuai dengan pertambahan panjang elemen PA akibat perubahan bentuk adalah (ju/jx) dx. Sedangkan satuan perpanjangan (unit elongation) pada titik P dalam arah x adalah (ju/jx). Dengan cara yang sama, maka diperoleh satuan perpanjangan dalam arah y dan z adalah (jv/jy) dan (jw/jz). 16 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

32 O x P dx A dy u v P' v v + x dx A' y B u u + y dy B' Gambar.II.8.Perpindahan Titik-Titik P, A, dan B Sekarang tinjaulah pelentingan sudut antara elemen PA dan PB dalam Gambar.II.8. Apabila u dan v adalah perpindahan titik P dalam arah x dan y, perpindahan titik A dalam arah y dan titik B dalam arah x berturut-turut adalah v + (jv/jx) dx dan u + (ju/jy) dy. Akibat perpindahan ini, maka P A merupakan arah baru elemen PA yang letaknya miring terhadap arah awal dengan sudut kecil yang ditunjukkan pada gambar, yaitu sama dengan (jv/jx). Dengan cara yang sama arah P B miring terhadap PB dengan sudut kecil (ju/jy). Dari sini dapat dilihat bahwa sudut awal APB yaitu sudut antara kedua elemen PA dan PB berkurang sebesar (jv/jx) + (ju/jy). Sudut ini adalah regangan geser (shearing strain) antara bidang xz dan yz. Regangan geser antara bidang xy dan xz dan bidang yx dan yz dapat diperoleh dengan cara yang sama. Selanjutnya kita menggunakan huruf Є untuk satuan perpanjangan dan huruf γ untuk regangan geser. Untuk menunjukkan arah regangan digunakan subskrip yang sama terhadap huruf ini sama seperti untuk komponen tegangan. Kemudian diperoleh dari pembahasan di atas beberapa besaran berikut : 17 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

33 = = = = = + = = + = = + (II.4) Keenam besaran ini disebut sebagai komponen regangan geser Hukum Hooke Hubungan linier antara komponen tegangan dan komponen regangan umumnya dikenal sebagai hukum Hooke. Satuan perpanjangan elemen hingga batas proporsional diberikan oleh = (II.5) dimana E adalah modulus elastisitas dalam tarik (modulus of elasticity in tension). Bahan yang digunakan di dalam struktur biasanya memiliki modulus yang sangat besar dibandingkan dengan tegangan izin, dan besarnya perpanjangan sangat kecil. Perpanjangan elemen dalam arah x ini akan diikuti dengan pengecilan pada komponen melintang yaitu = = (II.6) dimana adalah suatu konstanta yang disebut dengan ratio Poisson (Poisson s Ratio). Untuk sebagian besar bahan, ratio poisson dapat diambil sama dengan,25. Untuk baja struktur biasanya diambil sama dengan,3. Apabila elemen di atas mengalami kerja tegangan normal σ x, σ y, σ z secara serempak, terbagi rata di sepanjang sisinya, komponen resultante regangan dapat diperoleh dari persamaan (II.5) dan (II.6) yaitu : = 1 + = 1 + (II.7) = Elemen Grid, 28. USU Repository 29

34 Pada persamaan (II.7), hubungan antara perpanjangan dan tegangan sepenuhnya didefinisikan oleh konstanta fisik yaitu E dan. Konstanta yang sama dapat juga digunakan untuk mendefinisikan hubungan antara regangan geser dan tegangan geser. z a τ τ 45 b o d τ τ c y σ b o σ τ c Gambar.II.9.Perubahan Bentuk Segi Empat Paralellogram Tinjaulah kasus khusus yaitu perubahan bentuk segi empat paralelogram di mana σ z = σ, σ y = σ, dan σ x =. Potonglah sebuah elemen abcd dengan bidang yang sejajar dengan sumbu x dan terletak 45 terhadap sumbu y dan z (Gambar.II.9). Dengan menjumlah gaya sepanjang dan tegak lurus bc, bahwa tegangan normal pada sisi elemen ini nol dan tegangan geser pada sisi adalah : τ = ½ (σ z σ y ) = σ (II.8) Kondisi tegangan seperti itu disebut geser murni (pure shear). Pertambahan panjang elemen tegak Ob sama dengan berkurangnya panjang elemen mendatar Oa dan Oc, dan dengan mengabaikan besaran kecil dari orde kedua, kita bisa menyimpulkan bahwa panjang elemen ab dan bc tidak berubah selama terjadinya perubahan bentuk. Sudut antara sisi ab dan bc berubah dan besar regangan geser yang bersangkutan γ bisa diperoleh dari segi tiga Obc. Sedudah perbuahan bentuk akan didapatkan : 19 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

35 Untuk γ yang kecil, tan ( γ / 2 ) γ / 2, maka : Maka diperoleh : =tan 4 2 =1+ 1+ =tan 4 tan = 4 tan tan 4 tan 2 = = = 2 dan = 2 Sedangkan jika nilai-nilai σ z = σ, σ y = σ, dan σ x = disubstitusikan ke dalam persamaan (II.7) maka akan diperoleh : = 1 = 1+ = 1 =1+ = 2 = 2 Maka diperoleh hubungan antara regangan dengan regangan geser : = 2 (II.9) Hubungan antara regangan dan tegangan geser didefinisikan oleh konstanta E dan v yaitu : = 21+ = 21+ (II.1) Jika digunakan notasi : = 21+ (II.11) Maka persamaan (II.1) akan menjadi : = (II.12) dimana konstanta G didenisikan oleh (II.11), dan disebut modulus elastisitas dalam geser (modulus of elasticity in shear) atau modulus kekakuan (modulus of rigidity). 2 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

36 Apabila tegangan geser bekerja ke semua sisi elemen, seperti terlihat pada Gambar.II.5, pelentingan sudut antara dua sisi yang berpotongan hanya tergantung kepada komponen tegangan geser yang bersangkutan dan diperoleh : = = = 1.6. Analogi Membrane Elastic oleh Prandtl (Soap Film Analogy) Untuk pembahasan analogi membran ini, potonglah suatu bukaan pada potongan melintang dari elemen yang mengalami torsi untuk diselidiki. Anggaplah bukaan ini ditutupi oleh sejenis membran elastis yang homogen, seperti selaput sabun, dan kerjakan suatu tekanan pada salah satu sisi membran. y A D dx B dy C O x z O α S S p α α + x dx x Gambar.II.1.Analogi Selaput Sabun (Soap Film Analogy) Kemudian tinjaulah suatu elemen membran elastis ABCD dengan dimensi dx dy seperti ditunjukkan pada Gambar.II.1. Dengan menggunakan z sebagai besaran perpindahan lateral dari membran elastis, p adalah tekanan lateral dalam 21 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

37 gaya per satuan luas, dan S sebagai tegangan inisial dalam gaya per satuan panjang, maka gaya vertikal murni yang diakibatkan oleh tegangan S yang bekerja sepanjang sisi AD dan BC dari membran (dengan mengasumsikan perpindahan yang terjadi adalah sangat kecil sehingga nilai sinα tanα) berturut-turut adalah sin tan= sin+ tan+ = + Dengan cara yang sama akan diperoleh gaya vertikal murni yang diakibatkan oleh tegangan S yang bekerja sepanjang sisi AB dan DC berturut-turut adalah + Jika keempat gaya vertikal di atas dijumlahkan maka akan diperoleh persamaan membran untuk elemen dx dy adalah sebagai berikut = + = + + = + = (II.13) Persamaan (II.13) ini dikenal sebagai persamaan Analogi Membran Prandtl. Persamaan ini kemudian akan digunakan untuk menyelesaikan persamaan torsi untuk tampang persegi. 22 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

38 1.7. Metode Elemen Hingga Untuk Elemen Grid Metode elemen hingga merupakan salah satu metode yang digunakan untuk menghitung gaya-gaya dalam yang terjadi dalam suatu komponen struktur. Metode elemen hingga juga dikenal sebagai metode kekakuan ataupun displacement methode karena yang didapat terlebih dahulu dari perhitungan adalah perpindahan baru kemudian gaya batang dicari. Dalam hubungannya dengan tugas akhir ini, metode elemen hingga ini digunakan untuk menganalisis atau menghitung besarnya momen torsi yang terjadi dalam komponen struktur. Untuk itu, metode elemen hingga yang digunakan adalah metode elemen hingga untuk elemen grid dimana gaya yang bekerja pada struktur yang diperhitungkan hanya terbatas pada gaya vertikal, momen lentur dan momen torsi. Persamaan umum untuk metode elemen hingga ini adalah : = (II.14) dimana : {f} = Matriks gaya-gaya batang ( kg ) [k] = Matriks kekakuan struktur ( N/m 2 ) {d} = Matriks perpindahan ( m dan rad ) {f red } = Matriks gaya-gaya pada titik simpul akibat beban merata Dalam menggunakan metode elemen hingga, perlu diperhatikan, bahwa pada tiap elemen / batang akan terdapat dua buah titik simpul yaitu simpul awal yang diberi tanda (1) dan simpul akhir yang diberi tanda (2) dan sebuah elemen yang diberi tanda (a) seperti tampak pada Gambar.II Elemen Grid, 28. USU Repository 29

39 1 2 Gambar.II.11.Titik Simpul dan Elemen Derajat kebebasan adalah jumlah komponen perpindahan yang dapat terjadi pada kedua simpul yang ada pada suatu elemen. Jumlah derajat kebebasan berbedabeda untuk tiap jenis struktur. Misalnya, untuk elemen rangka, jumlah derajat kebebasannya adalah dua yaitu masing-masing satu perpindahan dalam arah sumbu batang ( biasanya disebut sebagai sumbu 1 ) pada titik simpul (1) dan (2). Dari jumlah derajat kebebasan yang ada, suatu matriks kekakuan untuk suatu jenis struktur dapat ditentukan. Masing-masing jenis struktur memiliki suatu matriks kekakuan tersendiri dimana matriks kekakuan untuk elemen rangka berbeda dengan matriks kekakuan untuk elemen frame dan lain-lainnya. Begitu pula halnya dengan matriks kekakuan untuk elemen grid. Matriks kekakuan dari elemen grid dapat diperoleh dengan menggabungkan matriks kekakuan dari elemen batang ( memiliki 4 derajat kebebasan ) dengan matriks kekakuan untuk elemen torsi murni. Kekakuan dalam suatu struktur terbagi dalam dua jenis yaitu kekakuan lokal dan kekakuan global. Kekakuan lokal adalah kekakuan elemen yang mengacu arah sumbu masing-masing elemen sedangkan kekakuan global adalah kekakuan elemen yang mengacu pada sistem koordinat global yaitu sistem koordinat kartesian (XYZ). Jika dalam suatu struktur terdapat lebih dari satu batang dengan arah sumbu lokal yang berbeda, maka maka kekakuan lokal dari tiap elemen harus diubah menjadi kekakuan global agar matriks kekakuan dari semua elemen yang ada dapat digabungkan. 24 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

40 Mx1 Μz1 GJ ΕΙ Μz2 Mx2 Sy1 Sy2 L Gambar.II.12.Derajat Kebebasan Pada Elemen Grid Untuk elemen grid, seperti yang telah disebutkan di atas, kekakuan lokalnya merupakan gabungan dari kekakuan lokal untuk elemen batang dengan kekakuan lokal untuk elemen torsi murni. Berikut ini adalah matriks kekakuan yang disebutkan di atas : Matriks kekakuan lokal untuk elemen batang (Frame Element) = Matriks kekakuan lokal untuk elemen torsi murni Matrik kekakuan lokal untuk elemen grid = = Kekakuan lokal dari semua jenis struktur dapat diubah menjadi kekakuan global dengan menggunakan persamaan : = 25 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

41 dimana [T] merupakan matriks transformasi yang berbeda-beda untuk jenis struktur tertentu dan [T] -1 merupakan invers dari matriks transformasi. Matriks transformasi untuk elemen grid dapat disusun dengan mengacu pada Gambar.II.13 sehingga diperoleh : 1 = cos sin sin cos 1 cos sin sin cos 1 = cos sin sin cos 1 cos sin sin cos z V1 X Mx1 My1 1 α y V2 2 Mx2 My2 Gambar.II.13.Transformasi ke Sumbu Global Setelah matriks kekakuan diperoleh maka gaya-gaya batang untuk elemen grid dapat dihitung dengan terlebih dahulu menghitung besarnya perpindahan yang terjadi pada titik-titik simpul dengan menggunakan persamaan (II.14) : 26 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

42 = 12 6 = (II.15) Setelah nilai-nilai perpindahan diperoleh dari persamaan (II.15), maka gayagaya dalam untuk tiap elemen dapat dicari dengan menggunakan persamaan (II.14). II.2. Analisis Torsi Pada Tampang Sembarang 2.1. Metode Semi-Invers Saint-Venant Setelah Berubah Bentuk Sebelum Berubah Bentuk y z P x O P' β T z y Gambar.II.14.Elemen Torsi Dengan Tampang Sembarang Anggap suatu bahan yang menalami torsi dengan suatu potongan melintang seragam dari tampang sembarang seperti terlihat pada Gambar.II.14. Tegangan yang didistribusikan pada ujung-ujung yaitu τ zx dan τ zy akan menghasilkan torsi sebesar T. 27 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

43 pada umumnya, semua distribusi tegangan pada ujung potongan akan menghasilkan torsi. Menurut Saint-Venant, distribusi tegangan pada potongan yang cukup jauh dari ujung bergantung hanya pada besar momen torsi dan tidak tergantung pada distribusi tegangan pada ujungnya. Oleh karena itu, untuk suatu element torsi panjang, distribusi tegangan pada ujung tidak akan mempengaruhi distribusi pada bagian makro dari elemen torsi. Metode Saint-Venant dimulai dengan suatu perkiraan komponen perpindahan akibat torsi. Perkiraan ini didasarkan kepada perubahan geometri yang terjadi pada elemen torsi yang terdeformasi. Saint-Venant mengasumsikan tiap elemen torsi lurus dengan tampang tetap selalu memiliki suatu sumbu putar yang tegak lurus terhadap potongan melintangnya yang bertindak sebagai poros kaku pada pusatnya. Dalam hal ini, poros diambil sejajar dengan sumbu z. Tinjau suatu titik P dengan koordinat (x, y, z) dari pusat O sebelum mengalami deformasi. Setelah mengalami deformasi akibat torsi, P bergerak ke P. P akan berpindah sejauh w sejajar sumbu z karena warping (distorsi ke arah luar bidang) dari potongan melintang dan berpindah sejauh u dan v sejajar sumbu x dan sumbu y karena rotasi dasar potongan melintang di mana P berada dengan sudut puntir sebesar β terhadap poros. Sedangkan sudut puntir β ini bervariasi menurut jarak z dari poros. Dapat dituliskan bahwa dβ/dz sebagai suatu laju puntiran θ. Maka pada jarak z dari pusat O, sudut puntir adalah sebesar β = θz. 28 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

44 x x' x P(x,y) y y y' β P'(x',y') α r Gambar.II.15.Potongan Melintang Suatu Elemen Torsi Dengan mengacu pada Gambar.II.15, diperoleh : dan = =cos+ cos =coscos sinsin cos =coscos 1 sinsin =cos 1 sin = =sin+ sin =sincos+cossin sin =cossin+sincos 1 =sin+cos 1 Untuk perpindahan yang sangat kecil, akan diperoleh nilai-nilai sinβ β dan cosβ 1, maka : u = -yβ = -y θz v = xβ = x θz Sedangkan untuk komponen w diambil : w = θ ψ(x,y) dimana ψ(x,y) adalah fungsi warping. Setelah komponen perpindahan ini diperoleh, maka kita akan mensubstitusikan nilai-nilai u, v, dan w ini ke dalam persamaan (II.4) dan diperoleh : 29 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

45 = = + = = + = = = = = = =, = = = + = +=, = + =, = = +, = + =, + (II.16) Tinjau kembali persamaan kesetimbangan. Untuk komponen yang mengalami torsi murni, σ x =, σ y =, σ z =, τ xy =, X =, Y =, Z = sehingga dari persamaan kesetimbangan didapatkan : = (II.17.a) = (II.17.b) + = (II.17.c) Persamaan (II.17.a) dan (II.17.b) menunjukkan bahwa τ zx dan τ zy tidak tergantung pada z. Dan komponen tegangan harus memenuhi persamaan (II.17.c). Oleh karena itu diambil persamaan tegangan geser ini menjadi : = = (II.18) Kemudian kedua persamaan di atas disubstitusikan ke persamaan (II.17.c) : = Hasil dari ruas kiri dari persamaan ini juga memberikan nilai, hal ini menunjukkan bahwa persamaan (II.18) yang diambil memenuhi persamaan (II.17.c). 3 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

46 Tinjau kembali persamaan (II.16). Jika masing-masing γ zx dan γ zy didiferensi parsial kan terhadap y dan x, maka akan diperoleh : =, =, 1 (II.19.a) =, + =, +1 (II.19.b) Jika persamaan (II.19.a) dengan (II.19.b), maka akan diperoleh : = 2 (II.2) Substitusikan hubungan antara regangan geser dengan tegangan geser pada persamaan (II.14) ke dalam persamaan (II.2) maka akan diperoleh : = 2 = 2 (II.21) Substitusikan persamaan (II.18) ke dalam persamaan (II.21) untuk mendapatkan suatu persamaan yang kemudian akan kita kenal sebagai persamaan torsi : = 2 = 2 (II.22) Pada bab berikutnya, persamaan (II.22) ini akan digunakan untuk menurunkan fungsi torsi untuk tampang persegi bantuan persamaan analogi membran Prandtl yang telah diturunkan sebelumnya. Karena permukaan elemen torsi ini bebas dari gaya lateral, maka resultan dari gaya geser τ pada potongan melintang dari elemen torsi pada keliling potongan 31 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

47 ini harus berarah tegak lurus terhadap garis normalnya. Kedua komponen tegangan geser τ zx dan τ zy yang bekerja pada potongan melintang dengan sisi-sisi dx, dy, dan ds dapat dinyatakan dengan : τ zx = τ sinα τ zy = τ cosα y S O R x dx s dy α ds n α τzy ds α ds ds τ τzx y R S A O B dy y x Gambar.II.16.Potongan Melintang Elemen Torsi 32 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

48 Dengan mengacu pada Gambar.II.16 sin= cos= (II.23) Karena komponen tegangan geser pada arah n pada gambar pada keliling elemen harus bernilai nol, maka proyeksi τ zx dan τ zy dalam arah normal adalah : τ zx cosα - τ zy sinα = (II.24) Substitusikan persamaan (II.18) dan (II.23) ke dalam persamaan (II.24) : + = = Dari penyelesaian ini menunjukkan bahwa nilai konstan di sepanjang keliling S. Karena tegangan merupakan turunan partial dari, maka nilai konstan ini dapat dianggap nol. Distribusi τ zx dan τ zy pada potongan melintang yang dibahas harus memenuhi ketiga persamaan berikut : = = = (II.25.a) = = = (II.25.b) == = + (II.25.c) 2.2. Hubungan Antara Momen Torsi Dengan Fungsi Torsi Dengan menyelesaikan persamaan (II.25.c), maka akan diperoleh hubungan antara momen torsi dengan fungsi torsi. Ambillah salah satu komponen integral dari persamaan (II.25.c). Karena fungsi tegangan tidak bervariasi dalam arah y untuk sebuah garis setebal dy seperti tampak pada Gambar.II.16, turunan parsial dapat digantikan dengan suatu turunan total sehingga diperoleh : = = = 33 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

49 Mengingat nilai pada tepi-tepi elemen (A) = (B) =, maka diperoleh : = Langkah yang sama dilakukan untuk komponen lain dari integaral pada persamaan (II.25.c) sehingga diperoleh : = Dengan menjumlahkan kedua komponen ini, maka diperoleh hubungan antara momen torsi dengan fungsi torsi yaitu : = + =2 (II.24) II.3. Torsi Pada Beton Bertulang Pada struktur bangunan, terdapat komponen-komponen struktur yang mengalami gaya puntir atau torsi dan seringkali timbul bersamaan dengan lentur dan geser. Contoh yang paling mudah adalah balok anak. Balok induk terangkai sebagai satu kesatuan rangka monolit dengan balok anak. Sebagai akibat dari sifat kekakuannya, akan timbul momen di tempat dukungan balok anak pada balok induk ini. Momen ini akan mengakibatkan gaya puntir terhadap balok induk. Akibat dari gaya torsi yang bekerja pada batang berpenampang bulat, permukaan rata penampang transversal akan tetap rata setelah terjadinya puntir. Sedangkan akibat pada komponen struktur yang berpenampang bukan bulat, akan timbul mekanisme gaya dan perilaku kompleks serta rumit, di mana penampang akan memilin dan melipat pada waktu terpuntir. Secara umum, apabila penampang yang semula rata dijaga tetap rata setelah mengalami puntir, tegangan geser maksimum akan terjadi pada tempat yang letaknya terjauh dari pusat puntir. Pada penampang persegi, tegangan geser torsi maksimum 34 Elemen Grid, 28. USU Repository 29

50 terjadi pada titik tengah dari sisi yang panjang dan arah kerjanya sejajar dengan sisi tersebut. Gaya geser torsi akan timbul di permukaan batang terpuntir dan cenderung menyebabkan terjadinya retak tarik diagonal sama seperti yang diakibatkan oleh gaya geser lentur, akan tetapi gaya geser torsi akan bekerja pada arah yang berlawanan untuk sisi penampang yang berhadapan. Karena pada umumnya gaya geser dan torsi muncul secara bersamaan atau bahkan berinteraksi satu sama lain, tinjauan efek gaya tarik diagonal pada satu sisi permukaan penampang batang merupakan penjumlahan dari keduanya. Apabila kuat tarik beton terlampaui, maka akan dapat dilihat bahwa pada permukaan terjadi retak beton yang kurang lebih membentuk sudut 45 terhadap sumbu batang komponen struktur tersebut. Dengan demikian, diperlukan batang tulangan baja untuk dipasang melintang terhadap arah retakan sedemikian sehingga mengahalangi keruntuhan lebih lanjut. Tulangan torsi pada balok umumnya dipasang pada arah memanjang balok dan letaknya disebar merata di sekeliling balok terpuntir. Ketentuan perencanaan tulangan torsi diberikan dalam SK SNI pasal 13.6 di mana diberikan batasan-batasan nilai momen puntir terfaktor minimum yang dapat diabaikan, syarat kuat torsi rencana yang harus digunakan, syarat tulangan torsi minimum dan jarak sengkang maksimum. Isi dari Pasal 13 SNI tentang Geser dan Puntir ini dapat dilihat pada Lampiran II. 35 Elemen Grid, 28. USU Repository 29