ANALISA TEGANGAN LENTUR EFEKTIF BALOK KOMPOSIT DENGAN VARIASI RASIO KETINGGIAN PELAT BETON DAN PROFIL BAJA BERDASARKAN METODE LRFD

Transkripsi

1 ANALISA TEGANGAN LENTUR EFEKTIF BALOK KOMPOSIT DENGAN VARIASI RASIO KETINGGIAN PELAT BETON DAN PROFIL BAJA BERDASARKAN METODE LRFD TUGAS AKHIR Diajukan untuk Melengkapi Syarat Penyelesaian Pendidikan Sarjana Teknik Sipil Disusun Oleh: JOHN PIRMA SAHATA SITORUS Dosen Pembimbing: Ir. TORANG SITORUS, MT NIP BIDANG STUDI STRUKTUR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2015

2 ABSTRAK Pada balok non komposit yaitu yang terdiri dari satu jenis material: misalnya baja, keruntuhan balok akan ditandai oleh terlampauinya tegangan leleh baja tersebut. Pada balok komposit: misalnya tersusun dari beton dan baja, keruntuhan balok akan ditandai oleh terlampauinya tegangan leleh pada salah satu material penyusunnya, pada beton atau baja. Dalam perencanaan struktur balok komposit perencanaan balok komposit belum memiliki standar yang memperhatikan keseimbangan persentase tegangan terjadi dari material penyusunnya. Keadaan ketidakseimbangan ini akan menyebabkan kegagalan struktur komposit akibat terlampauinya salah satu tegangan leleh material, sekalipun tegangan yang terjadi pada material yang lain masih jauh dari tegangan lelehnya. Tegangan akibat lentur yang terjadi pada balok sangat dipengaruhi oleh tinggi penampang. Maka kesetimbangan tegangan dianalisis melalui rasio ketinggian pelat beton dan balok baja. Analisis menghasilkan berbagai nilai rasio untuk berbagai kombinasi kuat tekan beton dan kuat leleh baja. Perencanaan dengan mendekati rasio efektif untuk kesetimbangan tegangan pada masing-masing material menghasilkan profil baja yang lebih kecil dengan tebal pelat tetap. Keadaan ini menyebabkan berat balok yang dihasilkan lebih kecil sehingga dapat menghasilkan desain yang lebih ekonomis. Metode pelaksanaan dengan perancah lebih baik daripada tanpa perancah, karena tegangan yang dihasilkan lebih kecil. Hal ini disebabkan aksi komposit, yang menjadi andalan desain ini, pada metode pelaksanaan tanpa perancah tidak digunakan secara maksimal, hanya untuk memikul beban hidup saja. Rata-rata penurunan tegangan yakni sebesar 4,50 %. Dalam pelaksanaan dengan perancah, disarankan untuk menggunakan perancah pada tengah bentang, karena metode ini menghasilkan tegangan yang lebih kecil. Hal ini disebabkan adanya momen negatif yang timbul di tengah bentang sebelum beton mengeras, yang mengurangi momen terjadi setelah perancah dilepaskan. Rata-rata penurunan tegangan yakni sebesar 7,34 %. Kata kunci: balok komposit, tegangan lentur, kesetimbangan tegangan, rasio efektif, metode konstruksi.

3 KATA PENGANTAR Puji dan syukur hanya kepada Tuhan Yang Maha Esa yang memimpin saya dalam setiap proses penyelesaian Tugas Akhir ini sehingga dapat terselesaikan dengan baik. Tugas akhir ini merupakan syarat untuk mencapai gelar sarjana Teknik Sipil bidang studi struktur Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, dengan judul: Analisa Tegangan Lentur Efektif Balok Komposit Dengan Variasi Rasio Ketinggian Pelat Beton Dan Profil Baja Berdasarkan Metode LRFD. Saya menyadari bahwa selama pengerjaan Tugas Akhir ini, ada banyak pihak yang terlibat dan mendukung saya hingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan. Oleh karena itu, saya ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada pihak-pihak yang telah mengambil peranan yang penting, yaitu: 1. Bapak Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan selaku Ketua Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara dan sekaligus sebagai Dosen Pembanding yang telah banyak memberikan dukungan selama proses perkuliahan di Departemen Teknik Sipil dan memberi masukan untuk perbaikan Tugas Akhir ini. 2. Bapak Ir. Syahrizal, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 3. Bapak Ir. Jeluddin Daud, M. Eng selaku Pembimbing Akademik yang memberikan arahan dalam perencanaan studi.

4 4. Bapak Ir. Torang Sitorus, MT selaku Pembimbing Tugas Akhir yang bersedia menyediakan waktu dan pikiran untuk membimbing, mengevaluasi, dan mengarahkan saya dari awal penulisan hingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan. 5. Bapak Ir. Sanci Barus, MT selaku Koordinator Sub. Jurusan Struktur dan sebagai Dosen Pembanding yang telah memberi masukan untuk perbaikan Tugas Akhir ini. 6. Bapak/Ibu seluruh staf pengajar Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 7. Seluruh pegawai administrasi Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan bantuan selama ini kepada saya. 8. Untuk segenap keluarga besar, teristimewa untuk Ibunda R. N. Tampubolon yang memberikan dukungan yang sangat besar secara moril dan materil, untuk abang dan kakak J. Sitorus/H. Br Siregar, J. Sitorus/H. Br. Sinurat, R. Sinaga, SE/H. Br. Sitorus, S. Kom, Jadiman Sitorus, Amd. Kom, Hendranita Sitorus, Amd. Kom, dan saudara kembar Jendro M. Sitorus, S. Si yang selalu memotivasi, mendukung, mengarahkan, dan mendoakan selama masa studi sampai pada penyelesaian tugas akhir ini. Saya menyadari besarnya peranan keluarga dalam pembentukan diri hingga saya bisa seperti saya saat ini. 9. Untuk rekan-rekan seperjuangan yang sudah saya anggap sebagai saudara: Ovit, Mariance, Junwesdy, Christian, Antonius, Adi, Maria, Sumihar, Plani, Desi, Elisa, Manna Grace, Sahala, Wahyu, Frengky, Jimmy, Jostar,

5 Hasoloan, Agrifa, Suparta, Edwin, Abraham yang telah banyak membantu selama masa studi sampai dalam penyelesaian tugas akhir ini. 10. Untuk seluruh rekan-rekan stambuk 2009 yang tidak dapat disebutkan satu per satu. Rekan-rekan seperjuangan yang telah banyak membantu selama proses perkuliahan bahkan dalam pengerjaan tugas akhir ini. 11. Adik KK saya Disciple of Christ (Juang Telaumbanua), Reonrefim Jr (Ecy Damanik, Michael Candra, Luccas Saragih), Aqua La Vida (Astri Lubis, Fitri Hutagalung, Donald Manik, Reny Linda Kristy), dan Viva La Vida (Parna Sitanggang dan Jagardo Damanik), juga untuk PKK Roy A. Pakpahan, ST dan semua rekan sepelayanan di UKM KMK USU UP FT yang telah mendukung saya dalam doa seiring di pelayanan dan mengerjakan tugas akhir ini. Saya menyadari bahwa dalam penyusunan tugas akhir ini masih jauh dari kata sempurna. Oleh karena itu saya menerima kritik dan saran yang bersifat membangun dalam penyempurnaan tugas akhir ini. Akhir kata saya mengucapkan terima kasih dan semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi para pembaca. Medan, April 2015 Penulis John Pirma Sahata Sitorus

6 DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... v DAFTAR TABEL... viii DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR GRAFIK... xi DAFTAR NOTASI... xii BAB I PENDAHULUAN Umum Latar Belakang Masalah Tujuan Batasan Masalah Metodologi Sistematika Pembahasan... 6 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Umum Perkembangan Struktur Komposit Pengenalan Balok Komposit Aksi Komposit Hubungan Elastis dan Plastis Saat Terjadi Aksi Komposit Keuntungan dan Kerugian Lebar Efektif Metode Konstruksi Balok Komposit Konsep LRFD dalam Perencanaan Struktur Faktor Beban dan Kombinasi Pembebanan Faktor Tahanan Struktur Lentur... 28

7 Balok Terkekang Lateral Desain Balok Terkekang Lateral Beban Terpusat pada Balok Konsep LRFD pada Balok Komposit Garis Netral Berpotongan pada Pelat Garis Netral Berpotongan pada Balok Alat Penyambung Geser Lendutan BAB III METODE ANALISA DAN APLIKASI Umum Model Penampang Material Baja Beton Pembebanan Beban Mati Beban Hidup Prosedur Analisis Menentukan Karakteristik Umum Balok Komposit Menentukan Lebar Efektif Menentukan Nilai Rasio Modulus Menentukan Lebar Efektif Ekivalen Menentukan Letak Garis Netral Menentukan Momen Inersia Penampang Trasformasi Menentukan Beban yang Bekerja Menentukan Tegangan untuk Metode Pelaksanaan Tanpa Perancah Tahap 1: Pelat Pelat Belum Mengeras Tahap 2: Pelat Beton Sudah Mengeras... 67

8 3.8 Menentukan Tegangan untuk Metode Pelaksanaan dengan Perancah di Sepanjang Bentang Menentukan Tegangan untuk Metode Pelaksanaan dengan Perancah di Tengah Bentang Tahap 1: Pelat Beton Belum Mengeras Tahap 2: Pelat Beton Sudah Mengeras Menentukan Kuat Lentur Nominal Pemeriksaan Lendutan Lendutan untuk Metode Konstruksi Tanpa Perancah Lendutan untuk Metode Konstruksi dengan Perancah Pemeriksaan Kesetimbangan Tegangan Terjadi BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Umum Perhitungan untuk Metode Konstruksi Tanpa Perancah Perhitungan untuk Metode Konstruksi dengan Perancah di Sepanjang Bentang Perhitungan untuk Metode Konstruksi dengan Perancah di Tengah Bentang Rekapitulasi Hasil Perhitungan Tinjauan Hasil Perhitungan Tinjauan Nilai Rasio Efektif (t/h) untuk Perancah di Sepanjang Bentang Tinjauan Nilai Rasio Efektif (t/h) untuk Perancah di Tengah Bentang Aplikasi dalam Perencanaan BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA

9 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Pengaruh Aksi Komposit Pada Balok Baja-Beton Tabel 2.2 Faktor Tahanan Tabel 3.1 Sifat Mekanis Baja Struktural Tabel 3.2 Nilai Modulus Elastisitas Beton Tabel 3.3 Berat Sendiri Bahan Bangunan dan Komponen Gedung Tabel 3.4 Beban Hidup Pada Lantai Gedung Tabel 3.5 Nilai Rasio Modulus n untuk Perencanaan Praktis Tabel 3.6 Batas Lendutan Maksimum Tabel 4.1 Rasio Efektif (t/h) untuk Perancah di Sepanjang Bentang Tabel 4.2 Rasio Efektif (t/h) untuk Perancah di Tengah Bentang Tabel 4.3 Perbandingan Desain Balok dengan Beberapa Kondisi untuk Perancah di Sepanjang Bentang Tabel 4.4 Perbandingan Desain Balok dengan Beberapa Kondisi untuk Perancah di Tengah Bentang Tabel 4.5 Perbandingan Tegangan untuk Rasio Penampang Berbeda... 95

10 DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Macam-Macam Struktur Komposit... 2 Gambar 2.1 Keadaan Balok dengan dan Tanpa Aksi Komposit yang Melendut Akibat Beban Vertikal Gambar 2.2 Variasi Regangan pada Balok Komposit Gambar 2.3 Penampang Balok Beton dengan Diagram Tegangan Gambar 2.4 Distribusi Tegangan Profil Baja Hingga Mencapai Keadaan Plastis Gambar 2.5 Pengaruh Penghubung Geser Terhadap Tegangan Lentur dan Geser Gambar 2.6 Perbandingan Respon Baja-Beton Dengan Aksi Komposit dan Tanpa Aksi Komposit Gambar 2.7 Distribusi Tegangan Plastis dengan Aksi Komposit Gambar 2.8 Distribusi Tegangan Tekan σx yang Tidak Merata dan Lebar Efektif be Gambar 2.9 Lebar Efektif Struktur Komposit Gambar 2.10 Modulus Penampang Berbagai Tipe Profil Simetri Gambar 2.11 Distribusi Tegangan pada Level Beban Kerja Gambar 2.12 Diagram Tegangan-Regangan Material Baja Gambar 2.13 Tahanan Momen Nominal Penampang Kompak dan Tak Kompak Gambar 2.14 Balok dengan Beban Terpusat Gambar 2.15 Tekuk Web Bergoyang Gambar 2.16 Kuat Lentur Nominal Berdasarkan Distribusi Tegangan Plastis. 38 Gambar 2.17 Alat Penyambung Geser yang Umum Gambar 2.18 Bidang Gaya Geser untuk Beban Merata dan Distribusi Tegangan Geser pada Penampang Komposit Baja-Beton Gambar 2.19 Gaya yang Diperlukan dari Alat Penyambung Geser pada Beban Kerja Gambar 2.20 Stud Berkepala yang Sudah Terpasang pada Pelat Atas Profil Baja... 48

11 Gambar 2.21 Papan yang Diletakkan sebagai Titian Gambar 3.1 Model Penampang Analitis Gambar 3.2 Kurva Tegangan Tegangan (f) Regangan (ε) Gambar 3.3 Bagian Kurva Tegangan Regangan yang Diperbesar Gambar 3.4 Diagram Tegangan pada Sistem Balok Komposit Gambar 3.5 Simbol untuk Beberapa Variabel Penampang Gambar 4.1 Penampang Balok Komposit Gambar 4.2 Balok Komposit Bentang 8m dan Potongan Melintang Penampang Gambar 4.3 Diagram Tegangan yang Terjadi pada Profil WF Gambar 4.4 Diagram Tegangan yang Terjadi pada Profil I... 96

12 DAFTAR GRAFIK Grafik 4.1 Rasio Efektif (t/h) untuk Perancah di Sepanjang Bentang Grafik 4.2 Rasio Efektif (t/h) untuk Perancah di Tengah Bentang... 86

13 DAFTAR NOTASI As bf beff C cx, cy D d ds Δ E Ec Es ε εsb εu f c fc fe fsb fp fu fy fyu G γ H luas penampang profil baja lebar profil baja lebar efektif balok komposit gaya tekan jarak dari titik berat ke tepi serat arah x dan y beban mati yang diakibatkan oleh berat konstruksi permanen, termasuk dinding, lantai, atap, plafon, partisi tetap, tangga, dan peralatan layan tetap tinggi profil baja diameter stud lendutan beban gempa modulus elastisitas beton modulus elastisitas baja regangan regangan saat mulai terjadi efek strain-hardening (penguatan regangan) regangan saat tercapainya tegangan putus kuat tekan beton tegangan yang terjadi pada beton tegangan batas elastis tegangan pada serat bawah profil baja tegangan batas proporsional tegangan putus tegangan leleh baja tegangan leleh atas modulus geser faktor beban beban hujan, tidak termasuk yang diakibatkan genangan air

14 H I Ix, Iy k k L tinggi alat penyambung stud inersia penampang momen inersia arah x dan y tebal pelat sayap ditambah jari-jari peralihan jarak antara muka sayap terluar ke kaki lengkungan badan beban hidup yang ditimbulkan oleh penggunaan gedung, termasuk kejut, tetapi tidak termasuk beban lingkungan seperti angin, hujan, dan lain-lain L La panjang bentang balok beban hidup di atap yang ditimbulkan selama perawatan oleh pekerja, peralatan, dan material, atau selama penggunaan biasa oleh orang dan benda bergerak λ M Mn Mu Mx, My N kelangsingan penampang balok (= b/2tf) momen yang terjadi momen nominal momen lentur akibat beban terfaktor momen lentur arah x dan y panjang dukung/dimensi longitudinal pelat perletakan n rasio modulus = E E s c ϕ faktor tahanan ϕb faktor tahanan momen lentur = 0,90 Q qd qult Rn Sx, Sy T t tf tw σ beban yang harus dipikul struktur beban mati kapasitas alat penyambung kekuatan nominal struktur modulus penampang arah x dan y gaya tekan tebal pelat tebal sayap profil baja tebal badan profil baja tegangan lentur

15 v W Wx wb wc ws y Z tegangan geser beban angin momen tahanan berat bekisting per satuan luas berat jenis beton berat jenis baja tinggi serat dari garis netral modulus plastis