Analisa Tekuk Lateral pada Balok Crane Baja I dengan Perhitungan Manual dan Abaqus
ANALISA TEKUK LATERAL PADA BALOK CRANE BAJA I DENGAN PERHITUNGAN MANUAL DAN ABAQUS ARVAN P. SIAGIAN 08 0404 067 Pembimbing Ir. Torang Sitorus , MT
NIP: 19571002 198601 1 001
BIDANG STUDI STRUKTUR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2015
ABSTRAK
Bahan konstruksi baja pada umumnya berpenampang langsing dan berdinding tipis, itulah sebabnya masalah yang paling rentan terjadi pada konstruksi baja adalah tekuk, baik tekuk lokal maupun tekuk lateral. Tekuk lateral merupakan suatu bentuk kegagalan yang diakibatkan oleh ketidakstabilan suatu elemen struktur yang mengakibatkan terjadinya deformasi ke arah lateral/samping ke luar bidang pembebanan yang dipengaruhi aksi beban. Tugas akhir ini menganalisa tekuk lateral yang terjadi pada balok crane baja I dengan perletakan sederhana dan pembebanan diberikan pada flens bawah disebabkan pembebanan pada flens bawah memberikan kapasitas beban yang lebih besar dibandingkan pembebanan yang dilakukan pada pusat geser maupun flens atas dari profil. Profil yang digunakan sebagai balok crane yaitu profil IWF 200x100x5,5x8 ; profil IWF 400x200x8x13 ; dan profil IWF 600x300x12x17 dengan panjang bentang masing- masing 4m, 8m, dan 12m. Penganalisaan dilakukan dengan menggunakan metode energi Trahair dan juga dengan menggunakan software berbasis metode elemen hingga yaitu Abaqus 6.10.
Dari hasil analisa perhitungan dengan metode Trahair dan dengan menggunakan program Abaqus, diperoleh persentase selisih pada profil IWF 200x100x5,5x8 adalah 2,04% untuk bentang 4m, 10,38% untuk bentang 8m, dan 8,56% untuk bentang 12m; pada profil IWF 400x200x8x13 adalah 2,77% untuk bentang 4m, 1,81% untuk bentang 8m, dan -1,97% untuk bentang 12m; dan untuk profil IWF 600x300x12x17 adalah 4,10% untuk bentang 4m, 2,23% untuk bentang 8m, dan 5,91% untuk bentang 12m.
Kata kunci : balok crane baja I, beban kritis, tekuk lateral, Abaqus
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa, yang telah memberikan berkat dan kasih karuniaNya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian dan menyusun bahan seminar ini dengan judul “ANALISA TEKUK LATERAL
PADA BALOK CRANE BAJA I DENGAN PERHITUNGAN MANUAL DAN ABAQUS
“ Tugas akhir ini disusun untuk diajukan sebagai salah satu syarat yang harus dipenuhi dalam Ujian Sarjana Teknik Sipil Bidang Studi Struktur pada
Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak terdapat kekurangan. Hal ini disebabkan keterbatasan pengetahuan dan kurangnya pemahaman penulis. Dengan tangan terbuka dan hati yang tulus penulis menerima segala saran dan kritik dari bapak dan ibu dosen serta rekan mahasiswa demi penyempurnaan Tugas Akhir ini.
Penulis juga menyadari bahwa selesainya tugas akhir ini tidak lepas dari bimbingan, dukungan, dan bantuan dari semua pihak. Untuk itu, pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang sudah membantu penulis dalam pengerjaan tugas akhir ini, terutama kepada kedua orang tua penulis yang selama ini selalu memberikan dukungan dan berjuang sehingga penulis dapat menyelesaikan perkuliahan ini.
Pada kesempatan ini, penulis juga tidak lupa menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Bapak Prof. DR. Ing. Johannes Taringan, selaku Ketua Departemen Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara.
2. Bapak Ir. Syahrizal, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak Ir. Torang Sitorus, MT, selaku pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu, tenaga, dan pikiran dalam memberikan bimbingan yang tiada hentinya kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
4. Bapak/Ibu Dosen staff pengajar Jurusan Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara.
5. Kedua Orang Tua penulis, Papa E. Siagian dan Mama S. Hutagaol yang senantiasa memberikan dukungan moral maupun finansial serta doa kepada penulis.
6. Kedua adik penulis, Chandra dan Kartika yang juga turut serta dalam memberikan semangat.
7. Pegawai Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
8. Teman-teman stambuk’08 Mutiara, Junmiflin, Jaya, Arthur, Moy, Boy, Hafiz, Henry, Coy, Rahmad, Ivan, Elis, Ibnu, David Uli, David Bebek, Bg Nuel ELTC, Mimi, Midian, Sara, serta teman-teman yang tidak dapat disebutkan satu persatu, serta senior-senior dan adik-adik junior yang juga banyak memberikan info maupun dukungan.
Medan, Oktober 2015 Penulis,
ARVAN PIRES SIAGIAN
DAFTAR ISI
ABSTRAK i
KATA PENGANTAR ii
DAFTAR ISI iv
DAFTAR TABEL vii
DAFTAR GAMBAR viii
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1.
1 Latar Belakang 1.2.
2 Rumusan Masalah 1.3.
3 Tujuan Penulisan 1.4.
3 Pembatasan Masalah 1.5.
4 Manfaat Penelitian 1.6.
4 Metodologi 1.7.
5 Sistematika Penulisan
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1.
6 Baja 2.1.1.
6 Pendahuluan 2.1.2.
7 Sifat Baja 2.1.3.
11 Profil Baja 2.2.
13 Balok 2.2.1.
13 Pendahuluan 2.2.2.
14 Balok Sederhana 2.2.3.
15 Tekuk Lateral Pada Balok 2.2.4.
16 Beban Tengah Terpusat 2.2.5.
21 Pengaruh Kondisi Pembebanan 2.2.6.
21 Perilaku Balok Tanpa Kekangan Lateral 2.2.7.
22 Kekuatan Balok Akibat Beban Momen Murni
2.3.
26 Konsep Teori Stabilitas Struktur 2.4.
28 Teori Umum Lentur 2.4.1.
29 Lentur Dalam Bidang YZ 2.4.2.
30 Lentur Dalam Bidang XZ 2.4.3.
30 Lentur Di Luar Bidang XZ dan YZ 2.5.
32 Torsi 2.5.1.
32 Pendahuluan 2.5.2.
32 Torsi Murni Pada Penampang Homogen 2.5.3.
37 Tegangan Puntir Pada Profil I 2.5.3.1.
37 Torsi Murni (Saint-Venant’s Torsion) 2.5.3.2.
38 Torsi Terpilin (Warping) 2.6.
39 Keran Angkat (Crane) 2.6.1.
39 Pendahuluan 2.6.2.
40 Jenis-Jenis Keran Angkat 2.6.2.1.
40 Monorail 2.6.2.2.
41 Bridge Crane 2.6.2.3.
41 Gantry Crane 2.6.2.4.
42 Jib Crane 2.7.
43 Metode Energi 2.7.1.
43 Pendahuluan 2.7.2.
44 Energi Regangan 2.7.3.
47 Energi Potensial
BAB 3 METODE PENELITIAN 3.1.
50 Pendahuluan 3.2.
51 Identifikasi Masalah 3.3.
52 Tekuk Torsi Lateral Balok Crane Baja I 3.4.
55 Program Abaqus
3.4.1. Pengenalan terhadap Abaqus CAE
56
3.4.2. Analisa Tekuk Lateral pada Program Abaqus
58 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1.
61 Perhitungan Analitis
4.1.1. Analisis Balok Profil I
62
4.1.1.1. Properties Penampang Profil IWF 200x100x5,5x8 62
4.1.1.2. Properties Penampang Profil IWF 400x200x8x13 63
4.1.1.3. Properties Penampang Profil IWF 600x300x12x17 65
4.1.2. Beban Kritis
66
4.1.2.1. Analisa Profil 200x100x5,5x8
67
4.1.2.2. Analisa Profil 400x200x8x13
69
4.1.2.3. Analisa Profil 600x300x12x17
72 4.2.
75 Analisa Dengan Program Abaqus 4.2.1.
75 Pembuatan Part 4.2.2.
76 Pembuatan Dan Pengaplikasian Material 4.2.3.
78 Pembentukan Geometri Model 4.2.4.
78 Pembentukan Mesh 4.2.5.
80 Pembuatan Boundary Condition 4.2.6.
81 Analisa Dengan Metode Eigenvalue 4.2.7.
84 Hasil Analisa Dengan Program Abaqus
4.2.7.1. Profil 200x100x5,5x8
84
4.2.7.2. Profil 400x200x8x13
85
4.2.7.3. Profil 600x300x12x17
87 4.3.
89 Perbandingan Beban Kritis Secara Teoritis Dan Abaqus
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
91
5.2. Saran
92 DAFTAR PUSTAKA
xi LAMPIRAN
DAFTAR TABEL
BAB II Tabel 2.1 Tegangan Leleh dan Kuat Tarik Batas ....................................................................... 7 Tabel 2.2 Nilai Cb untuk Berbagai Kasus Pembebanan yang Berbeda ........................................ 26 Tabel 2.3 Harga k 1 dan k 2 untuk persamaan 2.52 dan 2.53 ......................................................... 36
BAB IV Momen Kritis dengan Metode Trahair Tabel 4.1 ...................................................................... 72 Tabel 4.2 Beban Kritis dengan Metode Trahair .................................................................... 72 Tabel 4.3 Nilai Beban Kritis dengan Menggunakan Abaqus ................................................ 88 Tabel 4.4 Perbandingan Pcr secara Teoritis dan dengan Program Abaqus .......................... 89
DAFTAR GAMBAR
BAB I Gambar 1.1 Sistem Top-Running ......................................................................................... 2 Gambar 1.2 Sistem Bottom-Running .................................................................................... 2 BAB II Gambar 2.1 Kurva Hubungan Tegangan (f) dan Regangan (ε) ........................................... 9 Gambar 2.2 Bagian Kurva Tegangan-Regangan yang Diperbesar ...................................... 10 Gambar 2.3 Profil Baja ........................................................................................................ 12 Gambar 2.4 Balok dengan perletakan sederhana ................................................................. 14 Gambar 2.5 Tekuk Torsi lateral pada balok ......................................................................... 15 Gambar 2.6 Balok dengan Perletakan Sederhana dengan Pembebanan
di Tengah Bentang ........................................................................................... 17
Gambar 2.7 Tekuk Lateral pada Balok dengan Perletakan Sederhana denganPembebanan di Tengah Bentang ........................................................................................... 18
Gambar 2.8 Perbandingan Nilai Teoritis dan Nilai Pendekatan (Beban Terpusat) ............. 20Gambar 2.9 Kuat Momen Nominal akibat beban ................................................................ 23Gambar 2.10 ................................................ 25
, 1 bentang
, dan 3 42 Bidang Momen pada 1 4
Gambar 2.11 Tiga Kondisi Keseimbangan Statis .................................................................. 27Gambar 2.12 Balok Prismatis Dengan Lentur Murni ............................................................ 28Gambar 2.13 Free Body balok pada potongan berjarak z ...................................................... 29Gambar 2.14 Torsi Pada Batang Pejal ................................................................................... 33Gambar 2.15 Penampang Lingkaran ...................................................................................... 34Gambar 2.16 Torsi pada Penampang Persegi ........................................................................ 35Gambar 2.17 Penampang dengan Beban Torsi ...................................................................... 37Gambar 2.18 Torsi pada Profil I ............................................................................................ 38Gambar 2.19 Monorail Crane ................................................................................................ 40Gambar 2.20 Bridge Crane .................................................................................................... 41Gambar 2.21 Gantry Crane .................................................................................................... 42Gambar 2.22 Jib Crane ........................................................................................................... 43Gambar 2.23 Energi Regangan Oleh Beban Gaya P.............................................................. 44Gambar 2.24 Energi Regangan oleh Beban Aksial ................................................................ 45Gambar 2.25 Energi Regangan oleh Beban Momen Lentur .................................................. 45Gambar 2.26 Pergeseran Batang karena Melentur ................................................................. 47Gambar 2.27 Balok Melentur karena Beban Tunggal ........................................................... 48Gambar 2.28 Balok Melentur karena Beban Merata ............................................................. 48BAB III Gambar 3.1 Pemodelan dengan Finite Element Method ..................................................... 49 Gambar 3.2 Jarak Roda Hoist Rencana................................................................................ 52 Gambar 3.3 Tipe Balok Monorail ........................................................................................ 53 Gambar 3.4 Tampilan Program Abaqus/CAE 6.10 ............................................................. 55 Gambar 3.5 Tahap-tahap menjalankan Abaqus ................................................................... 57 Gambar 3.6 Diagram Alir Metodologi Penelitian ..................................................................... 60 BAB IV Gambar 4.1 Balok Crane Baja I Dengan Crane Berada Di Tengah Balok .......................... 61 Gambar 4.2 Langkah Awal Pembuatan Part ........................................................................ 75 Gambar 4.3 Gambar Penampang Balok ............................................................................... 76 Gambar 4.4 Gambar Part Balok ........................................................................................... 76 Gambar 4.5 Pembuatan Material.......................................................................................... 77