KAJIAN PERBANDINGAN TEKUK KOLOM BAJA RINGAN SECARA NUMERIK DAN PERATURAN RIWANTO MARBUN /TS

Transkripsi

1 KAJIAN PERBANDINGAN TEKUK KOLOM BAJA RINGAN SECARA NUMERIK DAN PERATURAN TESIS OLEH RIWANTO MARBUN /TS FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013

2 KAJIAN PERBANDINGAN TEKUK KOLOM BAJA RINGAN SECARA NUMERIK DAN PERATURAN TESIS Syarat untuk u m em peroleh G elar M agister Teknik P ada P rogram Studi M agister Teknik Sipil Fakultas F Teknik U niversitas Sum atera U tara OLEH: RIWANTO MARBUN /TS FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013

3 Judul Tesis : KAJIAN PERBANDINGAN TEKUK KOLOM BAJA RINGAN SECARA NUMERIK DAN PERATURAN Nama Mahasiswa : Riwanto Marbun Nomor Pokok : Program Studi : Magister Teknik Sipil Menyetujui: Komisi Pembimbing, Dr. Ing. Hotma Panggabean Ketua Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT Anggota Ketua Program Studi, Dekan, Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME Tanggal lulus : 30 Agustus 2013

4 Telah Diuji Pada Tanggal Lulus : 30 Agustus 2013 PANITIA PENGUJI TESIS Ketua : Dr. Ing. Hotma Panggabean Anggota : Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan Ir. Sanci Barus, MT Ir. Rudi Iskandar Pane, MT

5 ABSTRAK Analisis dan perencanaan pada kolom baja ringan penampang C (Canal) pada tulisan ini dilakukan berdasarkan hasil percobaan yang dilakukan oleh Sreedhar Kalavagunta dan kawan-kawan dalam jurnal Experimental Study of Axially Compressed Cold Formed Steel Channel Columns, Indian Journal of Science and Technology, Pada percobaan tersebut diambil penampang C (Canal) sebanyak 2 (dua) jenis yaitu C dan C75.12 dengan panjang bervariasi sebesar 700 mm, 600 mm dan 500 mm. Pada percobaan tersebut penampang C mengalami tekuk lokal sedangkan pada penampang C75.12 mengalami tekuk flexural torsional. Hasil percobaan ini kemudian dibandingkan dengan hasil perhitungan dengan peraturan AS/NZS dan simulasi numerik dengan metode elemen hingga yang menggunakan program Lusas. Untuk penampang C terlihat bahwa beban kritis untuk hasil metode elemen hingga lebih besar dibandingkan hasil perhitungan dengan peraturan AS/NZS maupun hasil percobaan dimana perbandingan terbesar hasil metode elemen hingga terhadap hasil percobaan adalah dan hasil metode elemen hingga terhadap hasil peraturan AS/NZS adalah Untuk penampang C75.12 terlihat bahwa beban kritis untuk hasil metode elemen hingga lebih besar dibandingkan hasil percobaan maupun hasil perhitungan dengan peraturan AS/NZS dimana perbandingan terbesar hasil metode elemen hingga terhadap hasil percobaan adalah dan hasil metode elemen hingga terhadap hasil peraturan AS/NZS adalah Kata Kunci : Peraturan AS/NZS, Metode Elemen Hingga, Percobaan i

6 ABSTRACT Analysis and design on light steel column of C (Canal) section in this paper is based on the results of experiments conducted by Sreedhar Kalavagunta and his colleagues in the journal Experimental Study of Axially Compressed Cold Formed Steel Channel Columns, Indian Journal of Science and Technology, The experiment using two kind of C (Canal) section types, C and C75.12 types with varying length of 700 mm, 600 mm and 500 mm. At the experiment on the C that had local buckling while C75.12 section had flexural torsional buckling. The experimental results are then compared with calculations based on the rules AS/NZS and numerical simulation with finite element method and using Lusas program. From the calculation for the section C seen that the critical load for the finite element method calculation is greater than the code AS / NZS and the results of experiments in which the largest comparative results of the finite element method (FEM) to the experimental results and the results is the finite element method to the standard / code is For the calculation of the section C75.12 seen that the critical load for the finite element method is greater than the results of experiments and calculations with the code AS/NZS where the largest comparative results of the finite element method (FEM) to the experimental results is and results for the finite element method to the standard / code is Keywords : The Code AS/NZS, Finite Element Method (FEM), Experiments ii

7 KATA PENGANTAR Puji dan Syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan karunia-nya, sehingga tesis dengan judul Kajian Perbandingan Tekuk Kolom Baja Ringan Secara Numerik dan Peraturan ini dapat diselesaikan. Tesis ini merupakan hasil dari analisis program Lusas v.14, hasilnya dibandingkan dengan peraturan baja ringan Australian Standard / New Zealand Standard (AS/NZS) serta hasil referensi Eksperimental Study of Axially Compressed Cold Form Steel Channel Columns, Indian Journal of Science and Technology, Tesis ini diselesaikan sebagai satu di antara persyaratan untuk menyelesaikan pendidikan dan memperoleh gelar Magister Teknik pada Fakultas Teknik Program Studi Magister Teknik Sipil Jurusan Struktur Bangunan pada Universitas Sumatera Utara. Penulis mengucapkan terimakasih atas saran/ide/masukan dan waktunya kepada Bapak Dr. Ing Hotma Panggabean sebagai Ketua Komisi Pembimbing dan Bapak Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT sebagai Anggota Komisi Pembimbing, kepada Bapak Prof. Dr. Ing Johannes Tarigan, Bapak Ir. Sanci Barus, MT, Bapak Ir. Rudi Iskandar Pane, MT sebagai Pembanding serta Para Staf Pengajar Magister Teknik Sipil yang telah memberikan materi kuliah selama masa perkuliahan, kepada abangda Albertus Simbolon, ST yang telah banyak membantu dalam menyelesaikan tesis ini dan sahabatku Nelson Hutahaean, ST, MT yang saling menguatkan memberikan semangat dalam penyelesaian tesis ini dan adinda Yun Ardi yang telah banyak membantu dalam urusan administrasi di Magister Teknik Sipil USU. Penulis juga mengucapkan terimakasih kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE sebagai Ketua Jurusan Magister Teknik Sipil dan Bapak Ir. Rudi Iskandar Pane, MT sebagai Sekretaris Jurusan Magister Teknik Sipil, kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME sebagai Dekan Fakultas Teknik dan Bapak Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu, DTM&H, M.Sc (CTM), Sp.A(K) sebagai Rektor Universitas Sumatera Utara. iii

8 Istriku tercinta Octavia Ernie Christina Siallagan, SH, anak-anakku Deo Rocandy Sion Marbun dan Audrey Claudya Marbun, orangtuaku Bernaman Marbun/Mesta Manik, mertuaku Drs. Djapea Walter Siallagan/Lamria Purba serta seluruh Saudara/Saudariku terimakasih atas dukungan dan doa dari kalian. Rekan sekaligus atasanku : Ir. Iwan Darmawan, MT (Kasatker PJN Wil. II Prov. Sumut) yang telah memberikan waktu, semangat maupun bantuan dalam penyelesaian tesis ini. Penulis menyadari bahwa tesis ini masih jauh dari sempurna disebabkan keterbatasan pengetahuan, pengalaman serta referensi yang penulis miliki. Untuk ini penulis mengharapkan kritik dan saran demi kesempurnaan tesis ini di masa yang akan datang. Akhirnya penulis mengucapkan terimakasih dan semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi kita. Medan, Agustus 2013 Penulis, Riwanto Marbun iv

9 PERNYATAAN Bersama ini saya menyatakan bahwa dalam tesis ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di Perguruan Tinggi manapun dan sepanjang sepengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain kecuali yang secara tertulis disebutkan dalam naskah penulisan ini dan disebutkan dalam daftar pustaka. Medan, Agustus 2013 Penulis, Riwanto Marbun v

10 DAFTAR RIWAYAT HIDUP I. Data Pribadi 1. Nama : Riwanto Marbun 2. Tempat/Tanggal Lahir : Medan/06 Agustus Jenis Kelamin : Laki-Laki 4. Pekerjaan : Pegawai Negeri Sipil 5. Agama : Kristen Protestan 6. Alamat : Jln. Sei Brantas No. 29 Medan Kec. Medan Sunggal, Sumut II. Riwayat Pendidikan 1. SD Negeri Medan tahun SMP Negeri 8 Medan tahun STM Negeri 3 Medan tahun D3 Teknik Sipil Politeknik USU Medan tahun S1 Teknik Sipil FT USU Medan tahun S2 Teknik Sipil USU tahun III. Riwayat Pekerjaan Pegawai Negeri Sipil pada Balai Besar Pelaksanaan Jalan Nasional I Medan, Direktorat Jenderal Bina Marga, Kementerian Pekerjaan Umum vi

11 DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK i ABSTRACT ii KATA PENGANTAR iii PERNYATAAN v DAFTAR RIWAYAT HIDUP vi DAFTAR ISI vii DAFTAR TABEL x DAFTAR GAMBAR xi DAFTAR NOTASI xiii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Permasalahan Maksud dan Tujuan Penelitian Pembatasan Masalah Sistematika Penulisan 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Material Baja Ringan (Cold Form Steel) Gambaran Umum Bentuk Tampang Baja Ringan dan Aplikasinya Tegangan Leleh, Kekuatan Tarik dan Kurva Tegangan Regangan pada Baja Ringan Modulus Elastisitas, Tangen Modulus dan Modulus Geser Daktilitas Balok Baja Ringan yang Mengalami Gaya Tekan Kapasitas Nominal Teori Kestabilan Keseimbangan Netral 18 vii

12 2.3.2 Energi Potensial Minimum Tekuk Lokal (Local Buckling Lentur Torsi (Flexural Torsional Buckling) Tekuk Distorsi Kanal Dalam Kondisi Tekan Kanal Lip Dalam Kondisi Tekan Metode Elemen Hingga Pemodelan Elemen Perilaku Ke Arah Dalam (In Plane) Perilaku Ke Arah Luar (Out Plane) Penggunaan Dari Pengekangan Geser Pemecahan Sistem Eigen Permasalahan Stabilitas Analisis Non Linear Analisis Material Non Linear Prosedur Iterasi Iterasi Newton Pelacakan Baris Konvergensi Prosedur Inkrementasi Level Beban Konstan Metode Modifikasi Panjang Busur (Metode Crisfield) Kontrol Panjang Busur (Metode Rheinboldt) Pelacakan Baris Dengan Metode Panjang Busur Penyesuaian Beban Secara Otomatis Model Hubungan Tegangan-Regangan Material Baja 56 BAB III METODOLOGI PENELITIAN Umum Bagan Alir Penelitian Pemodelan Struktur 53 viii

13 3.3.1 Pendefenisian Model Geometri Penampang Grouping Elemen Meshing Elemen Properti Geometri Properti Material Posisi dan Jenis Perletakan Posisi dan Jenis Pembebanan Pemasukan Parameter Model 55 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Perhitungan dengan Metode Elemen Hingga (LUSAS) Hasil Perhitungan dengan Peraturan AS/NZS Kolom Baja Ringan dengan Penampang Canal Lip C100.10, L = 700 mm Kolom Baja Ringan dengan Penampang Canal Lip C100.10, L = 600 mm Kolom Baja Ringan dengan Penampang Canal Lip C100.10, L = 500 mm Kolom Baja Ringan dengan Penampang Canal Lip C75.12, L = 700 mm Kolom Baja Ringan dengan Penampang Canal Lip C75.12, L = 600 mm Kolom Baja Ringan dengan Penampang Canal Lip C75.12, L = 500 mm Hasil Eksperimental Pembahasan 110 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran 114 DAFTAR PUSTAKA 115 LAMPIRAN-LAMPIRAN ix

14 DAFTAR TABEL Nomor Judul Halaman 2.1 Harga Koefisien Tekuk Pelat Faktor Reduksi Kapasitas Batasan Untuk Komponen Struktur Tekan Yang Telah Diprakualifikasi Ukuran Penampang Benda Uji Beban Terhadap Perpindahan Untuk C L= 700 mm Beban Terhadap Perpindahan Untuk C L= 600 mm Beban Terhadap Perpindahan Untuk C L= 500 mm Beban Terhadap Perpindahan Untuk C75.12 L= 700 mm Beban Terhadap Perpindahan Untuk C75.12 L= 600 mm Beban Terhadap Perpindahan Untuk C75.12 L= 500 mm Beban Kritis Hasil Eksperimental Perbandingan Hasil Setiap Metode Analisis Hasil Perbandingan Lusas Terhadap Eksperimental dan Standard/Code 113 x

15 DAFTAR GAMBAR Nomor Judul Halaman 2.1 Beberapa Bentuk Profil Baja Ringan Tunggal (Wei Wen Yu and Roger A. Laboude) Grafik Tegangan Regangan Pada Baja Hot Rolled Grafik Tegangan Regangan Pada Baja Cold Form Tiga Keadaan Kesetimbangan (Chazes, 1974) Permukaan Stabilitas Karakter Relatif Dari Kesetimbangan Bentuk Mode Tekuk Lokal Elemen Aktual dan Lebar Efektif (b) dari Elemen dan Tegangan Rencana Kanal Yang Mengalami Tekan Kanal Lip Yang Mengalami Tekan Konfigurasi Titik Dari Elemen Bagan Alir Menghitung Tekuk Kolom Baja Ringan Idealisasi Hubungan Tegangan Regangan Untuk Baja Penambahan Beban Pada Balok Iterasi Newton Raphson Untuk Respon Derajat Kebebasan Tunggal Initial Stiffnes Method KTI Method KT2 Method Prosedur Pelacakan Baris 52 xi

16 2.20 Prosedur Inkrementasi/iteratif Level Beban Konstan Ilustrasi Limit Point Untuk Respon Derajat Kebebasan Tunggal Modifikasi Inkrementasi Beban Panjang Busur untuk Respon Derajat Kebebasan Tunggal Kurva Hardening (Hardening Curve) Bagan Alir Penelitian Bagan Alir Pemodelan Metode Elemen Hingga Perpindahan Yang Terjadi Akibat Beban Aksial Tekan Pada Kolom Baja Ringan Untuk Penampang C Dengan Panjang 700 mm Perpindahan Yang Terjadi Akibat Beban Aksial Tekan Pada Kolom Baja Ringan Untuk Penampang C Dengan Panjang 600 mm Perpindahan Yang Terjadi Akibat Beban Aksial Tekan Pada Kolom Baja Ringan Untuk Penampang C Dengan Panjang 500 mm Perpindahan Yang Terjadi Akibat Beban Aksial Tekan Pada Kolom Baja Ringan Untuk Penampang C75.12 Dengan Panjang 700 mm Perpindahan Yang Terjadi Akibat Beban Aksial Tekan Pada Kolom Baja Ringan Untuk Penampang C75.12 Dengan Panjang 600 mm Perpindahan Yang Terjadi Akibat Beban Aksial Tekan Pada Kolom Baja Ringan Untuk Penampang C75.12 Dengan Panjang 500 mm Grafik Beban Terhadap Perpindahan Untuk C L= 700 mm Grafik Beban Terhadap Perpindahan Untuk C L= 600 mm Grafik Beban Terhadap Perpindahan Untuk C L = 500 mm Grafik Beban Terhadap Perpindahan Untuk C75.12 L = 700 mm Grafik Beban Terhadap Perpindahan Untuk C75.12 L = 600 mm Grafik Beban Terhadap Perpindahan Untuk C75.12 L = 500 mm Grafik Perbandingan Perhitungan Kolom C dan C xii

17 DAFTAR NOTASI A e = Luas Efektif Saat Tegangan Kritis ( f n ) Untuk Menghitung A g = Luas Bruto Elemen Atau Luas Kotor Penampang. A n = Luas Netto Penampang. b = Lebar Rata Elemen Tidak Termasuk Lengkungan. b e = Lebar Efektif Elemen Yang Menerima Beban Tekan Merata, Baik Dengan Maupun Tanpa Pengaku, Untuk Menentukan Kapasitas. b f = Lebar Sayap Dari Penampang Kanal Atau Z. C = Rasio Luas Penampang Untuk Komponen Struktur Tekan. d = Tinggi Penampang. E = Modulus Elastisitas Young (200 x 103 MPa). f c = Tegangan Beban Layan Pada Pelat Penutup Atau Lembaran. f y = Tegangan Tekuk Elastis Pelat. f c = Tegangan Kritis. f oc = Tegangan Tekuk Lentur, Torsi Dan Lentur Torsi Elastic. f od = Tegangan Tekuk Distorsi Elastis Dari Penampang. G = Modulus Elastisitas Geser (80 x 103 MPa). I = Momen Inersia Penampang Utuh, Tak Tereduksi kepada Sumbu Lentur. J = Konstanta Torsi Untuk Penampang. k = Koefisien Tekuk Pelat. l = Panjang Aktual Komponen Struktur Tekan. xiii N. c

18 l ex ley, lez, = Tekuk Efektif Untuk Lentur Terhadap Sumbu X Dan Y Serta Torsi. N c = Kapasitas Komponen Struktur Nominal Dari Struktur dalam tekan. N cd = Kapasitas Komponen Struktur Nominal Untuk Tekuk Distorsi. N c1 = Kapasitas Komponen Struktur Nominal Untuk Tekuk Lokal. N e = Beban Tekuk Elastic. t = Tebal Penampang Kanal Atau Z. t f = Tebal Sayap. t w = Tebal Pelat Badan. λ, λ = Rasio Kelangsingan. 1 λ2, 3 xiv