Analisis Perkuatan Balok Baja dengan Memperhitungkan Efek Redistribusi Momen

Transkripsi

1 Analisis Perkuatan Balok Baja dengan Memperhitungkan Efek Redistribusi Momen Wiryanto Dewobroto dan Petrus Ricky Jurusan Teknik Sipil, Universitas Pelita Harapan, Karawaci, Tangerang ABSTRAK Balok baja dengan profil penampang kompak dan diberi pertambatan lateral yang mencukupi, dapat dibebani sampai terbentuk sendi plastis akibat terjadinya momen plastis. Jika konfigurasi struktur balok statis tidak tentu, terbentuknya sendi-plastis tersebut bukanlah kinerja akhir struktur tersebut. Terjadinya redistribusi momen pada segmen balok lainnya dapat dipakai untuk meningkatkan kapasitas dukungnya. Hanya saja kondisi pasca sendi plastis tersebut terbentuk, tidak dapat diamati dengan analisis elastis linier biasa. Kalaupun dapat diperhitungkan dalam desain, umumnya hal itu hanya didasarkan pada ketentuan code yang pemakaiannya memerlukan engineering judgement. Untuk memperhitungkan efek redistribusi momen secara rasional perlu analisis struktur inelastisnon-linier atau biasa disebut juga analisis plastis. MASTAN2 ( adalah program komputer freeware dengan kemampuan tersebut, sehingga masalah ketersediaan teknologi analisis struktur non-linier tidak lagi menjadi isu utama, dan masalah bergeser pada aplikasi praktisnya. Terkait itu, akan ditinjau perkuatan atau retrofit balok baja, khususnya untuk mengetahui pengaruh [1] panjang dan [2] besarnya kapasitas perkuatan yang dibuat. Harapannya, hasil penelitian ini dapat dijadikan acuan bagaimana memakai program komputer dengan opsi analisis struktur nonlinier, dan sekaligus skenario perkuatan sistem balok baja menerus yang paling optimal. Kata kunci: balok baja, perkuatan cover plate, analisis plastis, hinge, redistribusi momen, daktilitas 1. PENDAHULUAN Perubahan fungsi ruang dari suatu bangunan dapat mengakibatkan beban rencananya berubah. Untuk menghindari risiko yang tidak diharapkan, sistem strukturnya perlu dievaluasi, apakah mencukupi atau tidak. Jika penambahan beban (akibat perubahan fungsi ruang) tidak terjadi secara drastis atau signifikan dan kondisi strukturnya sendiri masih relatif cukup baik, maka memberikan perkuatan (retrofit) adalah pilihan terbaik. Pada penelitian ini, retrofit dianggap diberikan pada balok anak dengan cara mengintegrasikan struktur simple beam menjadi struktur menerus dengan memberikan tambahan cover plate pada sayap profil sampai kapasitas momen plastis (M p ) penampangnya terjadi. Parameter yang akan dievaluasi adalah (1) panjang perkuatan yang berupa cover plate; dan (2) pengaruh mutu pengerjaan yang mengakibatkan efektivitas kapasitas perkuatan yang dibuat. Dengan demikian dapat diketahui seberapa besar pengaruh kedua parameter tersebut terhadap peningkatan kapasitas balok retrofit dan juga perilaku daktilitasnya saat runtuh. Ini penting untuk melihat keuntungan dan risiko dilakukannya retrofit tersebut. Balok anak yang dimaksud pada penelitian ini adalah balok anak yang mempunyai konfigurasi sedemikian sehingga balok-balok tersebut dapat dibuat sebagai sistem struktur balok menerus (Pradana 2014). Adapun balok menerus yang ditinjau adalah terdiri dari dua bentang di atas tiga tumpuan, yang merupakan sistem statis-tak-tentu sederhana. Tumpuan balok anak di atas adalah balok induk, yang kapasitasnya dianggap cukup dan tidak perlu tinjauan khusus. Beban lantai yang ditinjau adalah beban merata dan dipilih keruntuhan lentur yang menentukan. Penampangnya dari profil baja kompak dan dilengkapi lateral bracing yang mencukupi sehingga struktur dapat mencapai kapasitas momen plastisnya (AISC 2010). Analisis struktur yang digunakan ialah analisis nonlinier material (analisis plastis) yang dapat memperhitungkan plastifikasi material dan efek redistribusi momen (Dewobroto 2016). 2. PEMODELAN STRUKTUR REAL Konfigurasi kasus yang ditinjau meskipun terlihat seperti balok menerus tetapi pada awalnya berupa balok anak dengan tumpuan sederhana atau simple beam. Tinjau bentang balok anak m dan beban merata (Gambar 1). Gambar 1. Konfigurasi Balok Awal (Simple Beam) 1

2 Ketika fungsi bangunan berubah, dan diperlukan peningkatan beban rencana maka jika struktur balok anak ternyata tidak mencukupi, tentu bisa dievaluasi strategi peningkatan kapasitasnya. Dalam hal ini dianggap peningkatan yang dimaksud adalah dengan memberikan cover plate pada sayap profil di daerah tumpuan tengah. Itu berarti struktur yang semula statis tertentu akan berubah menjadi struktur statis-tak-tentu (balok menerus). Model struktur balok setelah dilakukan perkuatan atau retrofit ditampilkan seperti Gambar 2. Gambar 2. Konfigurasi Balok Menerus (Retrofit) dan Beban Awal pada Analisis Plastis Untuk mengatasi adanya ketidak-sempurnaan retrofit, yang berakibat pada kinerja atau efektivitas pemasangan cover plate, akan ditinjau berbagai prosentasi (%) terhadap kapasitas penampang balok atau momen plastis (M p ). Konfigurasi model struktur beserta variabel penelitian yang ditinjau dirangkum dalam Tabel HASIL ANALISIS PLASTIS MODEL STRUKTUR Balok yang akan diretrofit memakai profil baja W dengan E = MPa dan F y = 240 MPa. Analisis struktur yang digunakan ialah analisis nonlinier material (analisis plastis) dengan program MASTAN2 yang dilengkapi fitur First-Order Inelastic Analysis (Ziemian 2014, Ricky 2014). Dengan menggunakan analisis tersebut, setiap tambahan (increment) beban, dapat ditinjau perilaku strukturnya, yaitu mulai dari kondisi elastis, plastis (terbentuknya hinge) hingga mechanism (struktur menjadi tidak stabil). Berikut ditampilkan hasil analisis struktur sampai kondisi plastis terbentuk dari balok sebelum dan sesudah retrofit (konfigurasi Balok Retrofit 4). (a). Mechanism Load Simple-Beam (b). Mechanism Load Balok Retrofit 4 Gambar 3. Faktor Pengali Beban Awal Mencapai Ultimate Hasil Analisis Plastis Gambar 3 memperlihatkan perbandingan kondisi beban yang menghasilkan mechanism (ultimate) antara balok anak sebelum dan sesudah retrofit (yang tergambar adalah konfigurasi Balok Retrofit 4 dari Tabel 1). Dari perbandingan terlihat bahwa retrofit dapat meningkatkan kapasitas dukung balok menerus sebesar 172% dari konfigurasi awal. Itu bisa terjadi jika perkuatan cover plate yang diberikan adalah sebesar 200% dari kapasitas penampang balok awal. Dari Gambar 3b dapat diketahui : (1) lokasi terbentuknya sendi plastis (hinge); (2) faktor pengali dari Beban Awal saat terbentuknya hinge; dan (3) urutan terbentuknya. Pada kasus Balok Retrofit 4, hinge pertama terbentuk di lokasi dekat perkuatan, saat beban q u = kn/m. Jika beban ditambahkan lagi maka hinge kedua terbentuk di lapangan saat beban q u = kn/m. Ini adalah kondisi beban maksimum yang dapat diberikan, karena ketika ditambahkan beban lagi maka balok akan mengalami kondisi unstable atau mechanism. Urutan pembebanan pada balok sampai mencapai kondisi mechanism seperti di atas dapat dengan mudah diungkapkan dalam bentuk grafik berupa kurva hubungan antara beban dan perpindahan. Dari kurva itu dapat dilihat perilaku struktur dalam mencapai kondisi runtuhnya. Apakah setelah suatu tahap pembebanan yang tertentu masih dapat dibebani lagi, atau sudah mengalami kondisi mechanism (beban maksimum). Gambar 4 adalah kurva perilaku struktur dari Balok Retrofit 4. Garis awal dari kurva mempunyai kemiringan yang menunjukkan kekakuan dari struktur itu sendiri. Garis kurva kekakuan yang tegak adalah sangat kaku, adapun garis kurva yang horizontal, kekakuannya hilang atau disebut mechanism. Jadi dari Gambar 4, setelah garis kurva pertama terbentuk dan mencapai kondisi hinge pertama, maka kekakuan strukturnya menurun (slope bertambah landai). Selanjutnya, setelah hinge kedua terbentuk, struktur tidak mempunyai kekakuan lagi (garis horizontal) atau struktur mengalami kondisi mechanism. Beban ketika mechanism terjadi adalah beban maksimum sebelum keruntuhan. 2

3 Gambar 4. Perilaku Keruntuhan Balok Retrofit 4 Dari hasil analisis plastis dengan program MASTAN2, dapat disimpulkan bahwa model struktur (lihat Gambar 2) memiliki daktilitas yang cukup baik. Ini diindikasikan saat hinge pertama terbentuk, struktur mengalami lendutan di tengah bentang sebesar 3 cm, namun belum runtuh, karena struktur masih stabil ketika beban ditambahkan lagi. Ketika struktur mengalami lendutan di tengah bentang sebesar cm, barulah struktur tidak dapat memikul beban tambahan lagi karena struktur menjadi labil karena mengalami mechanism. Hasil analisis plastis untuk model struktur lainnya dengan variabel penelitian berbeda ditampilkan dalam Tabel 1 sebagai berikut. Tabel 1. Analisis Plastis Balok pada berbagai Konfigurasi Perkuatan /Retrofit Nomor Konfigurasi Perkuatan / Retrofit Panjang (m) Kapasitas (% M p ) Rasio beban di tumpuan Rasio beban di lapangan Simple Beam Retrofit Retrofit Retrofit Retrofit Retrofit Retrofit Retrofit Retrofit Retrofit Retrofit Retrofit Retrofit Retrofit Retrofit Retrofit Retrofit Catatan : Retrofit ## adalah balok menerus hasil retrofit dengan berbagai konfigurasi perkuatan. 4. PENGARUH PERKUATAN COVER PLATE TERHADAP DAKTILITAS STRUKTUR Setelah meneliti berbagai variabel model struktur yang hasilnya ditampilkan dalam Tabel 1, ternyata struktur dengan efektivitas perkuatan 200 % M p dan panjang perkuatannya 2 m, termasuk ke dalam kategori struktur yang tidak daktail. Berikut ditampilkan model struktur (Gambar 5), bentuk defleksi (Gambar 6), dan kurva beban perpindahan (Gambar 7) hasil analisis plastis untuk struktur dengan panjang perkuatan sebesar 2 m dan efektivitas perkuatan cover plate 200 % M p. 3

4 Gambar 5. Konfigurasi Balok Retrofit 12 dari Tabel 1 Gambar 6. Faktor Pengali Beban Awal (Beban Ultimate) Balok Retrofit 12 Gambar 7. Perilaku Keruntuhan Balok Retrofit 12 Dari bentuk defleksi Gambar 6, dapat diketahui bahwa hinge (sendi plastis) terbentuk sekaligus di lokasi tumpuan tengah dan lapangan pada saat beban mencapai q u = kn/m. Jadi, setelah hinge yang secara simultan terbentuk, struktur tidak dapat memikul tambahan beban lagi, dengan kata lain, struktur mengalami kondisi mechanism. Kemudian ditinjau perilaku struktur berdasarkan kurva beban-perpindahan (Gambar 7). Segmen garis lurus akan memiliki slope kekakuan. Setelah hinge secara simultan terbentuk, struktur langsung tidak mempunyai kekakuan lagi (tidak ada slope). Atau dengan kata lain, struktur mengalami mechanism. Beban ketika mechanism terjadi adalah beban sesaat sebelum struktur mengalami keruntuhan. Jadi, dapat disimpulkan bahwa model struktur Balok Retrofit 12 (lihat Gambar 5) tidak memiliki daktilitas. Hal ini diindikasikan dengan saat struktur mengalami kondisi sendi plastis pertama di tengah bentang, struktur tidak dapat memikul beban tambahan lagi karena struktur langsung unstable atau mengalami mechanism. Namun, jika ditinjau dari segi kekuatan, maka model struktur Balok Retrofit 12 mampu memikul beban (q u = kn/m) yang lebih besar dibandingkan dengan model struktur Balok Retrofit 4, lihat Gambar 2 dengan q u = kn/m. 5. PEMBAHASAN Berdasarkan hasil penelitian pada Tabel 1, dapat ditinjau (1) pengaruh efektivitas perkuatan cover plate terhadap perilaku struktur; dan (2) pengaruh panjang perkuatan cover plate terhadap perilaku struktur. 4

5 Kumpulan kurva pada Gambar 8 menunjukkan bahwa semakin tinggi efektivitas perkuatan retrofit, semakin tinggi beban yang dapat dipikul struktur, tetapi mempengaruhi tingkat daktilitasnya (bisa berkurang). Di samping itu, saat efektivitas perkuatan diberikan sebesar 200 % M p, maka perilaku strukturnya konstan (tidak berubah lagi). Pada kondisi seperti maka beban yang dapat dipikul struktur tidak mengalami peningkatan. Gambar 8. Kurva beban-perpindahan saat panjang perkuatan cover plate sebesar 1 m Kurva Gambar 9 menunjukkan bahwa semakin panjang perkuatan cover plate yang diberikan, semakin tinggi beban yang dapat dipikul struktur, tetapi tingkat daktilitasnya juga berpengaruh (dapat berkurang). Di samping itu, saat panjang perkuatan yang diberikan sebesar 2 m lebih, perilaku strukturnya menjadi konstan, yakni beban yang dapat dipikul struktur tidak bertambah lagi dan perilaku keruntuhannya tidak daktail. Gambar 9. Kurva beban-perpindahan saat efektivitas perkuatan cover plate sebesar 200 % M p 5

6 6. KESIMPULAN DAN SARAN Program MASTAN2 dapat melakukan analisis plastis dari struktur, yang berpenampang kompak dan pertambatan lateral cukup, untuk melacak besarnya beban maksimum sebelum runtuh. Juga perilaku keruntuhan, apakah bersifat daktail atau tidak. Perilaku daktail seperti itu bisa terjadi akibat adanya redistribusi momen setelah terbentuk sendi plastis pada penampannya, dimana itu bisa terjadi jika sistem strukturnya adalah statis-tak-tentu. Oleh karena itu, strategi perkuatan atau retrofit untuk meningkatkan kapasitas suatu balok yang efektif adalah membuatnya menjadi sistem struktur statis-tak-tentu. Untuk balok dengan sistem tumpuan sederhana (simple beam) maka langkah penting yang dperlu dilakukan adalah menjadikannya sebagai sistem balok menerus, yaitu dengan memasang perkuatan atau retrofit berupa cover plate di tumpuan agar kedua sisi balok menjadi satu. Terkait [1] besarnya kapasitas perkuatan atau efektivitas retrofit; dan [2] panjang perkuatan (cover plate) pada tumpuan balok agar terjadi kontinuitas maka dari studi parametrik dapat diperoleh beberapa kesimpulan berikut : Kurva pada Gambar 8 memperlihatkan bahwa efektivitas perkuatan akan berbanding lurus terhadap kapasitas beban yang dipikul, tapi berbanding terbalik dengan tingkat daktilitasnya. Pada kondisi efektivitas perkuatan yang tertentu, perilaku struktur terhadap pembebanan tidak mengalami perubahan atau konstan. Pada kondisi tersebut maka kapasitas struktur dalam memikul beban tidak bisa ditingkatkan lagi. Kurva pada Gambar 9 memperlihatkan bahwa pertambahan panjang perkuatan cover plate berbanding lurus terhadap kapasitas beban yang dipikul, tetapi berbanding terbalik dengan tingkat daktilitasnya. Pada panjang perkuatan yang tertentu, perilaku struktur terhadap pembebanan tidak mengalami perubahan atau konstan. Pada kondisi tersebut kapasitas struktur dalam memikul beban tidak bisa ditingkatkan lagi. Jadi, besarnya efektivitas retrofit dan panjang perkuatan cover plate mempengaruhi upaya peningkatan struktur, sekaligus mempengaruhi perilaku keruntuhan yang terjadi apakah bersifat daktail atau tidak. DAFTAR PUSTAKA AISC.(2010). ANSI/AISC : Load Specification for Structural Steel Buildings, AISC, Inc., Chicago, Ill. Dewobroto, W.(2016). Struktur Baja : Perilaku, Analisis & Desain AISC Edisi 2, Penerbit JTS-UPH, Karawaci Ricky, P. (2014). Analisis Struktur Nonlinier dan Aplikasinya dengan MASTAN2, Skripsi di JTS UPH, tidak dipublikasikan. Pradana, WP. (2014). Studi Pengaruh Perkuatan terhadap Kapasitas Elemen Lentur, Skripsi di JTS UPH, tidak dipublikasikan. Ziemian, Ronald D.(2014). Learning Module Number 6 Beam Design by the Elastic and Inelastic Analyses, 6