JURNAL TEKNIK SIPIL USU ANALISA KEKUATAN BALOK BAJA PRATEGANG (PRESTRESSED STEEL GIRDER) Nasib S Simamora 1, M.Agung Putra Handana 1 Departemen Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara, Jl. Perpustakaan No. 1 Kampus USU Medan Email:simamora_junior@yahoo.com Staf Pengajar Departemen Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara, Jl. Perpustakaan No. 1 Kampus USU Medan Email: agung.putra@usu.ac.id ABSTRAK Penggunaan gelagar baja untuk jembatan sampai saat ini masih digunakan untuk bangunan jembatan bentang menengah. Pada dasarnya jembatan baja dirancang sesuai dengan kebutuhan arus lalu lintas yang dilayaninya. Berbagai macam cara digunakan untuk memperbesar daya dukung gelagar baja pada jembatan, salah satunya adalah dengan penggunaan kabel prategang (external prestressing ) pada profil baja, yang disebut juga gelagar baja prategang ( prestressed steel girder ). Gelagar baja pratekan adalah gelagar baja yang dipasangi kabel prestress (tendon) sepertihalnya pada beton pratekan. Pemasangan tendon pada gelagar baja dilakukan diluar penampang profil sehingga disebut External Prestressing. Dengan cara ini, akan menghasilkan momen negatif yang akan mengurangi momen positif, sehingga dapat menambah daya dukung gelagar baja. Untuk itu perlu dikembangkan dan dilakukan penyelidikan untuk menentukan desain gelagar baja pratekan yang ekonomis dan mampu menahan beban yang besar. Tujuan penulisan ini adalah untuk mengetahui seberapa besar beban yang dapat diterima balok baja apabila diberikan perkuatan berupa kabel prategang yang dipasang dibagian badannya. Pada penelitian ini ditinjau sebuah struktur jembatan untuk lalu lintas umum dimana balok girder utamanya diberikan perkuatan berupa kabel prategang. Kata Kunci : balok, gelagar, prategang, baja ABSTRACT The use of steel girder for bridge is still used for medium span bridges structure. Basically steel bridge designed according to traffic service. Various ways using for increase the carrying capacity of steel grider bridges, one of which is the use of prestressed cable (external prestressing) on steel section, which is also called prestressed steel girder (prestressed steel girder). Prestressed steel girder is steel girder fitted with a steel cable prestress (tendo). Likewise in prestressed concrete. The installation of the steel tendons carried out cross sectional so called external prestressing. In this way, it will produce negative moment which will reduce the positive moment, so as to increase the carrying capacity of steel girder. for that s need to be developed and carried out an investigation to determine the prestressing steel girder design an economical and able to withstand large loads. The purpose of this paper is to determine how much load is acceptable if the steel beam reinforcement is given in the form of prestressed cables that are fitted inside it s web. In this paper taken a bridge structure for public traffic where the main girder beam reinforcement is given the form of prestressed cables. Keywords : beam, girder, prestress, steel 1. PENDAHULUAN Penggunaan gelagar baja untuk jembatan sampai saat ini masih digunakan untuk bangunan jembatan bentang menengah. Pada dasarnya jembatan baja dirancang sesuai dengan kebutuhan arus lalu lintas yang dilayaninya. Seiring dengan perkembangan jaman, jumlah penduduk semakin meningkat, yang diiringi dengan pertumbuhan ekonomi dan peningkatan arus lalu lintas yang cukup pesat, ditambah lagi dengan diciptakannya kendaraan dengan bobot yang makin besar, Sehingga ada kalanya sebuah jembatan lama yang dirancang dengan lalu lintas rendah dan daya dukung rendah tidak sanggup melayani kapasitas arus lalu lintas, sehingga perlu diperkuat untuk menambah daya dukungnya. Berbagai macam cara digunakan untuk memperbesar daya dukung gelagar baja pada jembatan, salah satunya adalah dengan penggunaan kabel prategang (external prestressing ) pada profil baja, yang disebut juga gelagar baja prategang ( prestressed steel girder ). Gelagar baja pratekan adalah gelagar baja yang dipasangi kabel prestress (tendon) sepertihalnya pada beton pratekan. Pemasangan tendon pada gelagar baja dilakukan diluar
penampang profil sehingga disebut External Prestressing Dengan cara ini, akan menghasilkan momen negatif yang akan mengurangi momen positif, sehingga dapat menambah daya dukung gelagar baja. Untuk itu perlu dikembangkan dan dilakukan penyelidikan untuk menentukan desain gelagar baja pratekan yang ekonomis dan mampu menahan beban yang besar. Sistem gelagar baja prategang, dapat diaplikasikan pada jembatan baru maupun perkuatan terhadap jembatan baja yang sudah terpasang. Prinsip kerja dari baja prategang sama halnya dengan beton prategang yaitu dengan memberikan tegangan awal pada bagian bawah penampang balok, yaitu dengan memberikan tegangan lawan dari tegangan akibat berat sendiri dan beban hidup dengan memberikan penarikan kabel pada gelagar baja, dimana sebelum dibebani tegangan pada bagian bawah balok adalah negatif, dan setelah dibebani menjadi positif (Troitsky. M.S, 1990). Prinsip kerja gelagar baja prategang digambarkan sebagai berikut : Gambar 1 Gelagar Baja Prategang Gambar Prinsip Kerja Prategang Tujuan dari penelitian ini adalah: 1. Menganalisis secara teoritis balok baja ( profil I ) yang diperkuat dengan gaya prategang.. Mendesain balok baja prategang yang ringan dan kuat, dengan cara perkuatan kabel prategang.. METODE Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah dengan menganalisa struktur baja dengan gaya prategang berdasarkan pada data-data dan keterangan dari literatur yang berhubungan dengan pembahasan serta mengaplikasikannya dalam perhitungan struktur.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN Perkuatan struktur baja dengan tendon Untuk mengerti sifat dasar struktural pada struktur baja prategang, pertama kali diambil kasus sederhana, yaitu penampang batang baja persegi yang diberikan pembebanan (Gambar 3). Bagian struktur diberikan gaya tarik P, dan gaya tekan X, selama gaya prategang pertama. Tegangan pada bagian struktur dan kabel adalah : Gambar 3 Struktur Dengan Tegangan Prategang ff mm = PP XX AA dan ff tt = XX AA tt dimana : ff mm = tegangan struktur ff tt = tegangan tendon P = gaya tarik X = gaya tekan A dan A t = area potongan melintang pada struktur dan tendon Balok I simetris yang diberikan gaya prategang yang diletakan dibawah sayap dan dibebani dengan gaya eksternal. Berdasarkan gaya prategang X, tegangan seragam adalah ff = XX AA Berkaitan dengan eksentrisitas prategang, balok yang dibebani dengan gaya momen sama halnya dengan beban langsung. Momen menghasilkan prategang Xec, dan berkaitan dengan momen ini ; f = ± Xec I Jika M adalah momen eksternal yang berkaitan dengan beban pada penampang dan berat balok, sehingga tegangan pada titik titik disepanjang penampang yang berhubungan dengan M adalah : f = ± Mc I
Gambar 4 Distribusi Tegangan Berdasarkan Prategang dan Beban pada Balok Baja I Simteris Hasil dari distribusi tegangan diberikan sebagai berikut f = X A ± Xec ± Mc I I Asumsi dasar yang digunakan pada analisa ini adalah : Struktur komposit, berdasarkan keefektivannya hubungan antara baja dan beton diberikan dengan maksud penghubung gesernya. Gambar 5 Penampang Tipikal Prategang Komposit Setelah beton telah mencapai kekuatan yang ditentukan, struktur komposit akan mengalami prategang dengan gaya prategang awal XX oo, dengan tujuan untuk mengurangi tegangan akhir prategang bawah atau atas. Gaya prategang akan menyebabkan tegangan berikut pada penampang komposit. ff tttt = XX oo XX ooee oo yy bb AA tttt II tttt dan ff tttt = XX oo AA tttt XX ooee oo yy tt II tttt Gaya prategang mengangkat balok dari kedudukan sementaranya. Akibatnya, bagian komposit akan membawa beban momen mati dan beban lampisan M DL + SD, menghasilkan tegangan sebagai berikut ff tttt = + (MM DDDD +SSSS )yy bb II tttt dan ff tttt = (MM DDDD +SSSS )yy tt II tttt
Kehilangan prategang Nilai yang diperlukan gaya prategang X 0 dikurangi oleh faktor faktor sebagai berikut, yaitu XX cccc - Kehilangan akibat Rangka Beton XX ssss - Kehilangan akibat Susut Beton XX ffff - Kehilangan akibat gesekan XX tt -kehilangan karena perubahan temperature yang tidak sesuai Untuk kerja prategang, jika baja ditarik pada satu suhu dan beton diatur pada suhu yang lebih tinggi, akan terjadi hilangnya prategang. Akibatnya, kehilangan prategang total mungkin disebabkan oleh beberapa faktor,dimana : dan gaya awal dan prategang akhir adalah XX llllllll = XX cccc XX ssrr XX ffff XX tt XX ffffffffff = XX 0 + XX 0 XX llllllll Geser Secara umum persamaan untuk gaya geser yang disebabkan beban kerja adalah : Tegangan geser pada badan adalah VV = VV 0 XX sin αα ττ = VVVV IItt ww Aplikasi perhitungan stuktur Pada bab ini akan dibahas sebuah gelagar baja profil I yang dipakai pada struktur jembatan baja. Pembeban yang diberikan mengacu pada SNI T-0-005 Standar Pembebanan Untuk Jembatan, jembatan ditinjau merupakan jembatan untuk lalu lintas umum, dua lajur dengan jumlah lajur lalu lintas rencana lajur, lebar jembatan (B) = 7m, panjang jembatan (L) = 4m. Jembatan merupakan jembatan lalu lintas dua arah dengan jumlah lajur (n1) = Untuk perencanaan gelagar jembatan ini, menggunakan profil baja dengan mutu BJ 50, dengan data data sebagai berikut, fy = 90 MPa, fu = 500 MPa, E =,1 x 106 kg/cm. Gambar.6 Tampang Melintang Jembatan Rencana
Gambar.7 Tampang Memanjang Jembatan Rencana Pembebanan Jembatan Data data pembebanan untuk perhitungan Analisa kekuatan Balok Baja adalah sebagai berikut : - Beban Mati (akibat berat pelat beton, aspal, bekisting, balok, trotoar, sandaran) Beban mati total Qd (u) = 09.06 kg/m Momen akibat beban mati M D = 159054,48 kgm - Beban Hidup Akibat beban terbagi rata (UDL) Q L = 880 kg/m = 8,80 kn/m Akibat beban garis (KEL) ML = 0483,55 knm = 0748,35 kgm Akibat beban Truk (T) ML = 156 kgm Perhitungan Momen Lentur Penampang Melintang Komposit Dalam mendesain diasumsikan topangan sementara akan digunakan selama konstruksi. perletakan sementara digunakan untuk meningkatkan lentur awal.nilai nilai reaksi yang dihasilkan adalah sebagai berikut : - R A = R D = 5089,63 kg - R B = R C = 13993,3 kg - MB = M C = -10179,6 kgm - M 1 = M 3 = 8143,41 kgm - M = 544,81 kgm - M B = M C = 111946,56 kgm Gambar 7 Reaksi Perletakan
Perkiraan Determinasi Penampang Melintang Pelat Baja Untuk balok grider utama digunakan profil baja IWF 800 x300 x 30 x 16 4 Gambar 8 Potongan melintang Inersia penampang (I s ) = 60863,36 cm Luas penampang (A) = 308 cm 3 Modulus penampang (S) = 1515,80 cm 4 Inersia penampang beton (Ic) = 340 cm Untuk masing masing nilai inersia penampang komposit untuk nilai n = 37 dan n = 1 diberikan pada tabel berikut : Tabel 1 Inersia komposit untuk n = 37 n = 37 A y Ay Ay Io material (cm ) (cm) (cm 3 4 ) (cm ) (cm 4 II = AAyy + II ) oo (1) () (3) (4) (5) (cm 4 ) (6) Baja 308 40 130 49800 60863,36 110143,36 Beton 97, 10 97 970 340 1960 405, 139 - - 111439,36 Tabel ` Inersia penampang komposit, n = 1 n = 1 A y Ay Ay Io material (cm ) (cm) (cm 3 4 ) (cm ) (cm 4 II = AAyy + II ) oo (1) () (3) (4) (5) (cm 4 ) (6) Baja 308 40 130 49800 60863,36 110143,36 Beton 300 10 3000 30000 1000 4000 608 1530 - - 114343,36
Desaian Shear Connectors (Penghubung Geser) Stud yang diberikan = 146 stud Desain Pengaku (Stiffeners) Tebal Pelat Lebar Pengaku = 0,6 cm =,5 cm Kehilangan Prategang Akibat Rangka Kehilangan prategang akibat rangka = 33,1 kg/cm Persentase kehilangan = 6,18% 4. KESIMPULAN Dari perhitungan Analisa Kekuatan Balok Baja Prategang (Prestressed Steel Girder) diperoleh : 1. Dari hasil perhitungan Analisa Kekuatan Balok Prategang (Prestressed Steel Girder) didapat: Dimensi balok girder yang digunakan adalah IWF 800 x 300 x 30 x 16 Stud connector yang digunakan sebanyak 146 stud. Digunakan tendon kabel dengan diameter 0,43cm yang dibentuk menjadi kawat untaian/strand dengan jumlah 0 kabel tiap strand. Persentase kehilangan prategang akibat rangka = 6,18%. Penggunaan tendon prategang untuk gelagar baja dapat meningkatkan kapasitas daya dukung dari struktur tersebut. 3. Dengan penggunaan tendon prategang, dimensi dari profil baja yang digunakan dapat diminimalkan, sehingga akan mengurangi berat baja yang digunakan yang akan menghemat biaya konstruksi. 4. Faktor faktor yang menyebabkan kehilangan gaya prategang yaitu akibat relaksasi baja, slip angker, gesekan (friction) sangat mempengaruhi sehingga perlu diperhatikan dalam perhitungan. DAFTAR PUSTAKA Nunziata, Vincenzo. Strutture in acciaio precompresso. Palermo: Dario Flaccovio, Editore 1999. Troitsky. M.S, Prestressed Steel Bridges Theory and Design. Van Nostrand Reinhold Company. New York. 1990. Bresler, Boris. Design of Steel Structures. Jhon Wiley and Sons, inc,new York, December 1967. Nunziata, Vincenzo. Prestressed steel structures design: a new frontier for structural engineering. Studio Nunziata, Palma Campania, Napoli, Italy. Nunziata, Vincenzo. Prestressed steel structures: historical and technological analysis. Studio Nunziata, Palma Campania, Napoli, Italy. Cormac, Mc jack C. Struktural Steel Design. Harper and Row Publisher. New York.1981.