STRUKTUR BAJA II MODUL 6 S e s i 5 Struktur Jembatan Komposit Dosen Pengasuh : Materi Pembelajaran : 10. Penghubung Geser (Shear Connector). Contoh Soal. Tujuan Pembelajaran : Mahasiswa mengetahui, memahami dan dapat melakukan perencanaan penghubung geser pada gelagar komposit pada daerah momen positip pada keadaan ultimit. DAFTAR PUSTAKA a) Agus Setiawan, Perencanaan Struktur Baja Dengan Metode LRFD (Berdasarkan SNI 03-1729-2002), Penerbit AIRLANGGA, Jakarta, 2008. b) Brosur Shear Connector ANTEC, www.antec.com.au c) Charles G. Salmon, Jhon E. Johnson, STRUKTUR BAJA, Design dan Perilaku, Jilid 2, Penerbit AIRLANGGA, Jakarta, 1996, atau, d) Charles G. Salmon, Jhon E. Johnson, Steel Structures Design and Behavior, 5th Edition, Pearson Education Inc., 2009 e) RSNI T-03-2005, Perencanaan Struktur Baja Untuk Jembatan. f) SNI 03-1729-2002, Perencanaan Struktur Baja Untuk Gedung. g) STEEL CONCRETE, Composite Bridge, David Collings, Published by Thomas Telford Publishing, Thomas Telford Ltd., 2005. h) Tabel Baja PT. GUNUNG GARUDA.
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada pemilik hak cipta photo-photo, buku-buku rujukan dan artikel, yang terlampir dalam modul pembelajaran ini. Semoga modul pembelajaran ini bermanfaat. Wassalam Penulis Thamrin Nasution thamrinnst.wordpress.com thamrin_nst@hotmail.co.id thamrinnst.wordpress.com
STRUKTUR JEMBATAN BAJA KOMPOSIT 10. Penghubung Geser (shear connector). Gaya geser horisontal (C,T) terjadi antara gelagar dan pelat lantai beton oleh karena adanya momen lentur, seperti terlihat dalam berikut. Agar supaya tidak terjadi gelincir, dengan kata lain agar struktur menjadi komposit, gaya geser ini harus ditahan dengan penghubung geser. b E 0,85 fc hc a C Garis netral plastis fy serat atas d 1 hs D Garis netral profil T t w fy pelat badan t f fy serat bawah Gambar 1 : Gaya geser antara pelat lantai beton dengan gelagar. Konektor besi tulangan Konektor Stud Konektor kanal Gambar 2 : Bentuk-bentuk penghubung geser. Sumber : STEEL CONCRETE, Composite Bridge, David Collings, Published by Thomas Telford Publishing, Thomas Telford Ltd., 2005. 1). Cara Perencanaan. RSNI T-03-2005, Perencanaan Struktur Baja Untuk Jembatan, menetapkan geser memanjang per satuan panjang gelagar komposit V L * harus ditentukan dengan cara sebagai berikut, 1
a. Perencanaan dalam keadaan batas (ultimit). V *. At. Yc VL * 1 It V L * = gaya geser longitudinal rencana persatuan panjang pada salah satu keadaan batas ultimit atau keadaan batas kelayanan, dinyatakan dalan Newton, (N). V * = gaya geser rencana untuk keadaan batas sesuai akibat lentur pada potongan yang ditinjau, dinyatakan dalan Newton, (N) Komentar : Rumus diatas (pers. 1) adalah berasal dari rumus tegangan geser seperti berikut ini, D. S b. I D = gaya lintang/geser vertikal (N). S = momen statis luas penampang diatas garis netral {A t.y C (mm 3 )}. b = lebar penampang (mm). I = momen inertia penampang (mm 4 ). 2 V* adalah gaya geser vertikal hasil dari gaya lintang, (pers. 1), dalam kondisi elastis. Pada kondisi batas (ultimit) gaya geser longitudinal terjadi akibat adanya momen lentur yang menyebabkan tepi atas penampang komposit tertekan dan tepi bawah tertarik pada daerah momen positip (ditengah bentang gelagar). Selanjutnya, gaya geser longitudinal yang digunakan dalam hal ini adalah gaya geser hasil dari kekuatan lentur keadaan batas (gbr. 1), yaitu yang lebih kecil antara C atau T, menjadi, V L * = T atau C (N) 3 b. Syarat perencanaan dalam keadaan batas. b.1). RSNI T-03-2005. Gaya geser memanjang rencana, V L *, harus memenuhi, V L * V LS 5 V LS = 0,55 n Vsu = faktor reduksi kekuatan, sesuai RSNI T-03-2005, f.s.4.5.2, atau lihat Tabel 1 berikut. = 0,75. n = jumlah penghubung geser. Vsu = kekuatan geser statik dari konektor stud dalam keadaan batas, dinyatakan dalam Newton, atau 6 Vsu = A S Con. fu (N). 7 2
A S Con = luas penampang konektor stud (mm 2 ). fu = tegangan putus (MPa). b.2). SNI 03-1729-2002 dan AISC 2010. SNI 03-1729-2002 dan AISC 2010 menetapkan, kekuatan nominal penghubung geser jenis konektor stud dengan panjang 4x diameter (Lc > 4D) yang ditanam dalam beton masif, Qn 0,5. A. fc'. Ec A. fu S Con S Con A S Con = luas penampang penghubung geser jenis paku (konektor stud), (mm 2 ). fc = kuat tekan beton, (MPa). Ec = modulus elastis beton, (MPa). fu = tegangan putus penghubung geser jenis paku, (MPa) Qn = kuat nominal geser untuk penghubung geser, (N) 8 Kuat nominal satu penghubung geser kanal yang ditanam di dalam pelat beton masif, Qn 0.,3.( t f 0,5t w ). Lc fc'. Ec 9 Lc t f t w = panjang penghubung geser kanal, (mm). = tebal pelat sayap, (mm). = tebal pelat badan, (mm). Gaya geser memanjang rencana, V L *, harus memenuhi, V L * n Qn = Faktor reduksi kekuatan = 0,85 (SNI 03-1729-2002, AISC 2010). n = jumlah penghubung geser. 10 c. Perencanaan dalam keadaan tegangan kerja. V. At. Yc VL 4 It V L = gaya geser longitudinal rencana persatuan panjang pada rencana beban tegangan kerja, dinyatakan dalan Newton, (N). V = gaya geser rencana (vertikal/gaya lintang) pada beban tegangan kerja pada potongan yang ditinjau, dinyatakan dalan Newton, (N). A t = Luas transformasi dari lantai beton, diperhitungkan untuk lebar efektif, dinyatakan dalam milimeter persegi, (mm 2 ). Yc = jarak garis netral penampang komposit terhadap titik berat luas At, dinyatakan dalam milimeter, (mm). I t = momen kedua dari luas penampang komposit transformasi, menganggap beton tanpa retak dan memperhitungkan lebar efektif lantai, (mm 4 ). 3
Tabel 1 : Faktor reduksi kekuatan untuk keadaan ultimit. Situasi Rencana Faktor Reduksi Kekuatan, a. Lentur 0.90 b. Geser 0.90 c. Aksial tekan 0.85 d. Aksial tarik 1. Terhadap kuat tarik leleh 0.90 2. Terhadap kuat tarik fraktur 0.75 e. Penghubung geser 0.75 f. Sambungan baut 0.75 g. Sambungan las 1. Las tumpul penetrasi penuh 0.90 2. Las sudut dan las tumpul penetrasi sebagian 0.75 Sumber : RSNI T-03-2005 2). Detail Hubungan Geser. a. Permukaan hubungan yang menahan gaya pemisah (yaitu tepi bawah kepala paku penghubung atau sayap atas dari kanal) harus diteruskan tidak kurang dari 40 mm bersih di atas tulangan melintang bawah, dan tidak kurang dari 40 mm ke dalam daerah tekan sayap dalam daerah momen positif memanjang. Sebagai alternatif, apabila digunakan peninggian beton antara gelagar baja dan dasar lantai, permukaan dari hubungan yang menahan gaya pemisah dapat ditempatkan tidak kurang dari 40 mm di atas tulangan dalam peninggian. > 40 mm > 40 mm Gambar 3 : Letak penghubung geser. b. Tebal bebas selimut beton di atas tepi atas penghubung geser tidak boleh kurang dari 50 mm. Selimut beton bebas horisontal pada tiap penghubung geser juga tidak boleh kurang dari 60 mm. c. Jarak memanjang antara penghubung tidak boleh lebih besar dari setiap nilai berikut ini : c.1. 600 mm; atau c.2. dua kali tebal lantai, atau 4
c.3. empat kali tinggi penghubung. d. Diameter paku penghubung yang dilas pada pelat sayap tidak boleh melebihi : d.1. 1,5 kali tebal pelat sayap bila pelat sayap memikul tegangan tarik, atau d.2. 2,0 kali tebal pelat sayap bila tidak terdapat tegangan tarik. Jarak memanjang Gambar 4 3). Contoh Soal. Dari contoh soal 9.f.1), sebuah jembatan komposit dengan perletakan sederhana, mutu beton, K-300, panjang bentang, L = 12 meter. Tebal lantai beton hc = 20 cm, jarak antara gelagar, S = 1,10 meter. Gelagar memakai WF 600.300.12.20, mutu baja BJ-41. Hitunglah kuat lentur nominal dan kekuatan lentur rencana penampang komposit, hitunglah penghubung geser yang diperlukan, pada keadaan ultimit pada daerah momen positip. WF 600.300.12.20 WF 600.300.12.20 WF 600.300.12.20 Panjang bentang L = 12 m bo = 1,10 m bo = 1,10 m 20 cm WF 600.300.12.20 WF 600.300.12.20 S = bo S = bo Gambar 5 : Jembatan komposit. 5
Penyelesaian : A). DATA - DATA 1. DATA GEOMETRIS JEMBATAN Tebal slab lantai jembatan hc = 20,0 cm. Jarak antara gelagar baja S = bo = 110,0 cm. Panjang bentang jembatan L = 12,0 m. 2. DATA MATERIAL a. BETON Mutu beton, K-300 = 300 kg/cm 2 Kuat tekan beton, fc' = 0,83 K/10 = 24,9 MPa. Modulus Elastis, Ec 4700 fc' = 23453 MPa. Berat beton bertulang, Wc = 25 kn/m 3 b. BAJA TULANGAN Mutu baja tulangan U - 39 Tegangan leleh baja, fy = U. 10 = 390 MPa. Diameter tulangan, = 16 mm c. BAJA PROFIL Mutu baja, BJ - 41 Tegangan leleh baja, fy = 250 MPa. Modulus elastis, Es = 200.000 Mpa. Profil WF 600.300.12.20 Io = 118000 cm 4. hs = 58,8 cm. As = 192,5 cm 2. qs = 151 kg/m = 1,51 kn/m. B). LEBAR EFEKTIF PENAMPANG KOMPOSIT. Lebar efektif (RSNI T-03-2005), b E = L / 5 = 12 m / 5 = 2,4 m b E = bo = 1,10 m (menentukan). b E = 12 hc = 12. (0,20 m) = 2,40 m. 16 mm b E = 110 cm hc WF 600.300.12.20 hs Garis netral profil t w t f Gambar 6 : Jembatan komposit. 6
Misal pada lebar efektif 110 cm terdapat 7 buah tulangan 16 mm atas dan 7 buah tulangan 16 mm pada bagian bawah. C). KEKUATAN PLASTIS DAN GARIS NETRAL PLASTIS Anggap garis netral plastis berada pada gelagar. c.1). Kekuatan tekanan pada pelat lantai, C, C = 0,85. fc'. b E. hc + (A. fy) c (A. fy) c = (7 + 7). ¼.. (16 mm) 2. (390 MPa) = 1097241,6 N 0,85. fc'. b E. hc = 0,85. (24,9 MPa). (1100 mm). (200 mm) = 4656300,0 N C = 4656300,0 N + 1097241,9 N = 5753541,6 N c.2). Kekuatan tarikan pada gelagar, T, T = As. fy = (192,5x100 mm 2 ). (250 MPa) = 4812500 N < C c.3). Kedalaman daerah tekan pada lantai, T ( A. fy) c 4812500 N 1097241,6 N a = 0,85. fc'. 0,85.(24,9 MPa).(1100 mm) b E = 159,6 mm < hc = 200 mm. c.4). Garis netral plastis berada pada lantai beton, perhitungan diulangi, tulangan yang mengalami tekan hanya bagian atas sebanyak 7 tulangan. (A. fy) c = (7). ¼.. (16 mm) 2. (390 MPa) = 548620,8 N C = 4656300,0 N + 548620,8 N = 5204920,8 N > T T ( A. fy) c 4812500 N 548620,8 N a = 0,85. fc'. 0,85.(24,9 MPa).(1100 mm) b E = 183,1 mm < hc = 200 mm. b E = 110 cm 16 mm 0,85 fc hc = 20 cm a a/2 C Garis netral plastis fy serat atas d 1 hs = 58,8 cm D Garis netral profil T t w fy pelat badan t f WF 600.300.12.20 fy serat bawah Gambar 8 : Diagram tegangan plastis. d 1 = hs/2 + hc a/2 = 588 mm/2 + 200 mm 183,1 mm/2 = 402,4 mm 7
D). KEKUATAN LENTUR. Kekuatan lentur nominal, Ms = T. d 1 = (4812500 N). (402,4 mm) = 1936550000,0 N.mm. Kekuatan lentur rencana, Mu =. Ms = (0,90). (1937031250,0 N.mm) = 1742895000,0 N.mm. Mu = 1742,9 kn.m. E). PENGHUBUNG GESER (Shear connector). e.1). Berdasarkan RSNI T-03-2005. Gaya geser longitudinal dalam keadaan batas (ultimit), V L * = T = 4812500 N. Gaya geser rencana, V LS = V L * / = 4812500 N / 0,75 = 6416666,7 N Syarat-syarat. Diameter maksimum, 1,5 t f = 1,5 x (20 mm) = 30 mm = 3 cm. Jarak antara konektor stud, 1. 600 mm = 60 cm, atau 2. 2 x hc = 2 x (200 mm) = 400 mm = 40 cm 3. 4 x L = 4 x (120 mm) = 480 mm = 48 cm. Konektor Stud (lihat lampiran). Mutu baja konektor, BJ-41 Tegangan putus, fu = 410 MPa. Dipakai konektor 19 x 120 (lihat lampiran) D = 19 mm < 30 mm (syarat) L = 120 mm L D Gambar 9 : Konektor stud Kekuatan geser satu konektor stud, V SU = ¼. D 2. fu = 0,25 x 3,14 x (19 mm) 2. (410 MPa) = 116187,9 N. Jumlah konektor stud, VLS 6416666,7 N n = 100,41 buah (untuk 2 baris). 0,55. V 0,55. (116187,9 N) SU Rencanakan 1 baris konektor stud 51 buah sepanjang bentang gelagar 12 meter. Jarak terjauh antara konektor = (1200 cm)/(51 buah) = 24,5 cm < 40 cm (syarat). Rencanakan jarak antara konektor stud 24 cm. Tabel 2 : Desain Alternatip Konektor D fu Vsu V LS n n Desain L Jarak stud mm MPa. N N buah buah / baris m cm 19x120 19 410 116187.9 6416666.7 100.41 51 12.0 24 22x125 22 410 155775.4 6416666.7 74.89 38 12.0 32 8
e.2). Berdasarkan SNI 03-1729-2002 dan AISC 2010. Gaya geser longitudinal dalam keadaan batas (ultimit), V L * = T = 4812500 N. Gaya geser rencana, V LS = V L * / = 4812500 N / 0,85 = 5661764,7 N Syarat-syarat. Diameter maksimum, 2,5 t f = 2,5 x (20 mm) = 50 mm = 5 cm. Jarak antara konektor stud, Jarak longitudinal > 6 x D = 6 x 19 mm = 114 mm = 11,4 cm Jarak tegak lurus longitudinal > 4 x D = 4 x 19 mm = 76 mm = 7,6 cm > 4D L > 6 D D Konektor Stud (lihat lampiran). Mutu baja konektor, BJ-41 Tegangan putus, fu = 410 MPa. Dipakai konektor 19 x 120 (lihat lampiran) D = 19 mm < 30 mm (syarat) L = 120 mm Kekuatan nominal satu konektor stud, Qn 0,5. A. fc'. Ec Atau, Gambar 10 : Jarak antara konektor stud. S Con Qn 0,5.{1/ 4 (19 mm) 2 }. (24,9 MPa).(23453MPa) = 108279,4 N Qn = A S Con. fu = 1/4.. (19 mm) 2. (410 MPa) = 116187,9 N 9
Jumlah konektor stud, VLS 5661764,7 N n = 95,1 buah (untuk 2 baris). 0,55. Qn 0,55.(108279,4 N) Rencanakan 1 baris konektor stud 48 buah sepanjang bentang gelagar 12 meter. Jarak terjauh antara konektor = (1200 cm)/(48 buah) = 25 cm < 40 cm (syarat). Rencanakan jarak antara konektor stud 25 cm. KESIMPULAN 1). Jumlah konektor stud (diameter 19 mm) pada seluruh bentang gelagar untuk 2 baris berdasarkan, RSNI T-03-2005 (Struktur Baja Untuk Jembatan), sebanyak 102 buah. SNI 03-1729-2002 (Struktur Baja Untuk Gedung), sebanyak 96 buah. 2). Faktor Reduksi Kekuatan, RSNI T-03-2005, = 0,75 SNI 03-1729-2002, = 0,85 3). Kekuatan geser nominal konektor stud, RSNI T-03-2005, hanya berdasarkan kekuatan bahan baja. SNI 03-1729-2002, berdasarkan kekuatan beton atau kekuatan bahan baja. SARAN Berdasarkan kesimpulan diatas, dalam merencanakan jumlah konektor stud untuk gelagar jembatan komposit haruslah memakai standar untuk jembatan pula (RSNI T-03-2005), walaupun peraturan SNI 03-1729-2002 menjanjikan jumlah konektor stud yang lebih sedikit (ekonomis). 10
LAMPIRAN HD HT contoh L D 11