Kajian Perbandingan Tekuk Kolom Baja Ringan Secara Numerik dan Peraturan

KAJIAN PERBANDINGAN TEKUK KOLOM BAJA RINGAN SECARA NUMERIK DAN PERATURAN TESIS OLEH RIWANTO MARBUN 087016012/TS FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013

KAJIAN PERBANDINGAN TEKUK KOLOM BAJA RINGAN SECARA NUMERIK DAN PERATURAN TESIS

  Sya rat u Sya rat u Sya rat u Sya rat u ntuk m em peroleh G elar M agister T eknik ntuk m em peroleh G elar M agister T eknik ntuk m em peroleh G elar M agister T eknik ntuk m em peroleh G elar M agister T eknik P ada P ada P ada P ada P rogram Studi M agister T eknik Sipil

  P rogram Studi M agister T eknik Sipil P rogram Studi M agister T eknik Sipil P rogram Studi M agister T eknik Sipil F ak ulta s T eknik F ak ulta s T eknik F ak ulta s T eknik F ak ulta s T eknik U niversitas Sum atera U tara U niversitas Sum atera U tara U niversitas Sum atera U tara U niversitas Sum atera U tara

OLEH: RIWANTO MARBUN 087016012/TS FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013

  

Judul Tesis : KAJIAN PERBANDINGAN TEKUK KOLOM BAJA

RINGAN SECARA NUMERIK DAN PERATURAN Nama Mahasiswa : Riwanto Marbun Nomor Pokok : 087016012 Program Studi : Magister Teknik Sipil Menyetujui: Komisi Pembimbing, Dr. Ing. Hotma Panggabean Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT Ketua Anggota Ketua Program Studi, Dekan, Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME Tanggal lulus : 30 Agustus 2013

  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

  

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, 2013.

Pada percobaan tersebut diambil penampang C (Canal) sebanyak 2 (dua) jenis yaitu C100.10 dan C75.12 dengan panjang bervariasi sebesar 700 mm, 600 mm dan 500 mm.

  Pada percobaan tersebut penampang C100.10 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 C100.10 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 1.108 dan hasil metode elemen hingga terhadap hasil peraturan

AS/NZS

  adalah 1.056. 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 1.094 dan hasil metode elemen hingga terhadap hasil peraturan AS/NZS adalah 1.043. Kata Kunci : Peraturan AS/NZS, Metode Elemen Hingga, Percobaan

  

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, 2013. The experiment

using two kind of C (Canal) section types, C100.10 and C75.12 types with varying

length of 700 mm, 600 mm and 500 mm.

  At the experiment on the C100.10 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 C100.10 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 1.108 results is the

finite element method to the standard / code is 1.056. 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

1.094 and results for the finite element method to the standard / code is 1.043.

  Keywords : The Code AS/NZS, Finite Element Method (FEM), Experiments

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, 2013.

  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.

  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

  

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

DAFTAR RIWAYAT HIDUP

  2. SMP Negeri 8 Medan tahun 1987-1990

  Pegawai Negeri Sipil pada Balai Besar Pelaksanaan Jalan Nasional I Medan, Direktorat Jenderal Bina Marga, Kementerian Pekerjaan Umum

  III. Riwayat Pekerjaan

  6. S2 Teknik Sipil USU tahun 2008-2013

  5. S1 Teknik Sipil FT USU Medan tahun 1999-2002

  4. D3 Teknik Sipil Politeknik USU Medan tahun 1993-1996

  3. STM Negeri 3 Medan tahun 1990-1993

  I. Data Pribadi

  1. Nama : Riwanto Marbun

  II. Riwayat Pendidikan

  6. Alamat : Jln. Sei Brantas No. 29 Medan Kec. Medan Sunggal, Sumut

  5. Agama : Kristen Protestan

  4. Pekerjaan : Pegawai Negeri Sipil

  3. Jenis Kelamin : Laki-Laki

  2. Tempat/Tanggal Lahir : Medan/06 Agustus 1974

  1. SD Negeri 060938 Medan tahun 1981-1987

DAFTAR ISI

  Halaman

  ABSTRAK i ii

  ABSTRACT KATA PENGANTAR iii PERNYATAAN v DAFTAR RIWAYAT HIDUP vi DAFTAR ISI vii DAFTAR TABEL x DAFTAR GAMBAR xi DAFTAR NOTASI xiii

BAB I PENDAHULUAN

  1

  1.1 Latar Belakang

  1

  1.2 Permasalahan

  2

  1.3 Maksud dan Tujuan Penelitian

  3

  1.4 Pembatasan Masalah

  3

  1.5 Sistematika Penulisan

  5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA

  6

  2.1 Material Baja Ringan (Cold Form Steel)

  6

  2.1.1 Gambaran Umum

  6

  2.1.2 Bentuk Tampang Baja Ringan dan Aplikasinya

  10

  2.1.3 Tegangan Leleh, Kekuatan Tarik dan Kurva Tegangan Regangan pada Baja Ringan

  11

  2.1.4 Modulus Elastisitas, Tangen Modulus dan Modulus Geser

  13

  2.1.5 Daktilitas

  15

  2.2 Balok Baja Ringan yang Mengalami Gaya Tekan

  16

  2.2.1 Kapasitas Nominal

  16

  2.3 Teori Kestabilan

  17

  2.3.1 Keseimbangan Netral

  18

  2.3.2 Energi Potensial Minimum

  22

  2.3.3 Tekuk Lokal (Local Buckling

  25

  2.3.4 Lentur Torsi (Flexural Torsional Buckling)

  26

  2.3.5 Tekuk Distorsi

  31

  2.3.5.1 Kanal Dalam Kondisi Tekan

  31

  2.3.5.2 Kanal Lip Dalam Kondisi Tekan

  33

  2.4 Metode Elemen Hingga

  35

  2.4.1 Pemodelan Elemen

  35

  2.4.2 Perilaku Ke Arah Dalam (In Plane)

  39

  2.4.3 Perilaku Ke Arah Luar (Out Plane)

  39

  2.4.4 Penggunaan Dari Pengekangan Geser

  40

  2.4.5 Pemecahan Sistem Eigen

  42

  2.4.6 Permasalahan Stabilitas

  46

  2.5 Analisis Non Linear

  47

  2.5.1 Analisis Material Non Linear

  47

  2.5.2 Prosedur Iterasi

  50

  2.5.2.1 Iterasi Newton

  50

  2.5.2.2 Pelacakan Baris

  50

  2.5.3 Konvergensi

  52

  2.5.4 Prosedur Inkrementasi

  53

  2.5.4.1 Level Beban Konstan

  53

  2.5.4.2 Metode Modifikasi Panjang Busur (Metode Crisfield)

  54

  2.5.4.3 Kontrol Panjang Busur (Metode Rheinboldt)

  54

  2.5.4.4 Pelacakan Baris Dengan Metode Panjang Busur 56

  2.5.4.5 Penyesuaian Beban Secara Otomatis

  56

  2.5.5 Model Hubungan Tegangan-Regangan Material Baja

  56 BAB III METODOLOGI PENELITIAN

  57

  3.1 Umum

  51

  3.2 Bagan Alir Penelitian

  51

  3.3 Pemodelan Struktur

  53

  3.3.1 Pendefenisian Model

  54

  3.3.1.1 Geometri Penampang

  54

  3.3.1.2 Grouping Elemen

  54

  3.3.1.3 Meshing Elemen

  54

  3.3.1.4 Properti Geometri

  54

  3.3.1.5 Properti Material

  55

  3.3.1.6 Posisi dan Jenis Perletakan

  55

  3.3.1.7 Posisi dan Jenis Pembebanan

  55

  3.3.2 Pemasukan Parameter Model

  55 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

  67

  4.1 Hasil Perhitungan dengan Metode Elemen Hingga (LUSAS)

  67

  4.2 Hasil Perhitungan dengan Peraturan AS/NZS

  73

  4.2.1 Kolom Baja Ringan dengan Penampang Canal Lip C100.10, L = 700 mm

  73

  4.2.2 Kolom Baja Ringan dengan Penampang Canal Lip C100.10, L = 600 mm

  79

  4.2.3 Kolom Baja Ringan dengan Penampang Canal Lip C100.10, L = 500 mm

  86

  4.2.4 Kolom Baja Ringan dengan Penampang Canal Lip C75.12, L = 700 mm

  92

  4.2.5 Kolom Baja Ringan dengan Penampang Canal Lip C75.12, L = 600 mm 100

  4.2.6 Kolom Baja Ringan dengan Penampang Canal Lip C75.12, L = 500 mm 110

  4.3 Hasil Eksperimental 109

  4.4 Pembahasan 110

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 113

  5.1 Kesimpulan 113

  5.2 Saran 114

DAFTAR PUSTAKA

  115

  LAMPIRAN-LAMPIRAN

  

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman

  2.1 Harga Koefisien Tekuk Pelat

  21

  2.2 Faktor Reduksi Kapasitas

  23

  2.3 Batasan Untuk Komponen Struktur Tekan Yang Telah Diprakualifikasi 30

  3.1 Ukuran Penampang Benda Uji

  51

  4.1 Beban Terhadap Perpindahan Untuk C100.10 L= 700 mm

  67

  4.2 Beban Terhadap Perpindahan Untuk C100.10 L= 600 mm

  68

  4.3 Beban Terhadap Perpindahan Untuk C100.10 L= 500 mm

  69

  4.4 Beban Terhadap Perpindahan Untuk C75.12 L= 700 mm

  77 4.5 Beban Terhadap Perpindahan Untuk C75.12 L= 600 mm.

  71

  4.6 Beban Terhadap Perpindahan Untuk C75.12 L= 500 mm

  72

  4.7 Beban Kritis Hasil Eksperimental 109

  4.8 Perbandingan Hasil Setiap Metode Analisis 110

  5.1 Hasil Perbandingan Lusas Terhadap Eksperimental dan Standard/Code 113

  DAFTAR GAMBAR Nomor Judul Halaman

  48

  2.11 Konfigurasi Titik Dari Elemen

  36

  2.12 Bagan Alir Menghitung Tekuk Kolom Baja Ringan

  45

  2.13 Idealisasi Hubungan Tegangan Regangan Untuk Baja

  47

  2.14 Penambahan Beban Pada Balok

  2.15 Iterasi Newton Raphson Untuk Respon Derajat Kebebasan Tunggal 49

  2.10 Kanal Lip Yang Mengalami Tekan

  2.16 Initial Stiffnes Method

  50

  2.17 KTI Method

  51

  2.18 KT2 Method

  44

  2.19 Prosedur Pelacakan Baris

  34

  32

  2.1 Beberapa Bentuk Profil Baja Ringan Tunggal

  19

   (Wei Wen Yu and Roger A. Laboude)

  10

  2.2 Grafik Tegangan Regangan Pada Baja Hot Rolled

  13

  2.3 Grafik Tegangan Regangan Pada Baja Cold Form

  13

  2.4 Tiga Keadaan Kesetimbangan (Chazes, 1974)

  2.5 Permukaan Stabilitas

  2.9 Kanal Yang Mengalami Tekan

  21

  2.6 Karakter Relatif Dari Kesetimbangan

  23

  2.7 Bentuk Mode Tekuk Lokal

  23

  2.8 Elemen Aktual dan Lebar Efektif (b) dari Elemen dan Tegangan Rencana

  26

  52

  2.20 Prosedur Inkrementasi/iteratif Level Beban Konstan

  53

  2.21 Ilustrasi Limit Point Untuk Respon Derajat Kebebasan Tunggal

  54

  2.22 Modifikasi Inkrementasi Beban Panjang Busur untuk Respon Derajat Kebebasan Tunggal

  55

  2.23 Kurva Hardening (Hardening Curve)

  57

  3.1 Bagan Alir Penelitian

  52

  3.2 Bagan Alir Pemodelan Metode Elemen Hingga

  53

  4.1 Perpindahan Yang Terjadi Akibat Beban Aksial Tekan Pada Kolom Baja Ringan Untuk Penampang C100.10 Dengan Panjang 700 mm

  67

  4.2 Perpindahan Yang Terjadi Akibat Beban Aksial Tekan Pada Kolom Baja Ringan Untuk Penampang C100.10 Dengan Panjang 600 mm

  68

  4.3 Perpindahan Yang Terjadi Akibat Beban Aksial Tekan Pada Kolom Baja Ringan Untuk Penampang C100.10 Dengan Panjang 500 mm

  69

  4.4 Perpindahan Yang Terjadi Akibat Beban Aksial Tekan Pada Kolom Baja Ringan Untuk Penampang C75.12 Dengan Panjang 700 mm

  70

  4.5 Perpindahan Yang Terjadi Akibat Beban Aksial Tekan Pada Kolom Baja Ringan Untuk Penampang C75.12 Dengan Panjang 600 mm

  58

  4.6 Perpindahan Yang Terjadi Akibat Beban Aksial Tekan Pada Kolom Baja Ringan Untuk Penampang C75.12 Dengan Panjang 500 mm

  59

  4.7 Grafik Beban Terhadap Perpindahan Untuk C100.10 L= 700 mm

  60

  4.8 Grafik Beban Terhadap Perpindahan Untuk C100.10 L= 600 mm

  61

  4.9 Grafik Beban Terhadap Perpindahan Untuk C100.10 L = 500 mm

  62

  4.10 Grafik Beban Terhadap Perpindahan Untuk C75.12 L = 700 mm

  63

  4.11 Grafik Beban Terhadap Perpindahan Untuk C75.12 L = 600 mm

  64

  4.12 Grafik Beban Terhadap Perpindahan Untuk C75.12 L = 500 mm

  65

  4.13 Grafik Perbandingan Perhitungan Kolom C100.10 dan C75.12 111

  

DAFTAR NOTASI

_e A

  = Luas Efektif Saat Tegangan Kritis ( _n

  f

  ) Untuk Menghitung _c

  N . _g A = Luas Bruto Elemen Atau Luas Kotor Penampang. _n

  A = Luas Netto Penampang.

  b = Lebar Rata Elemen Tidak Termasuk Lengkungan. _e

  b

  = Lebar Efektif Elemen Yang Menerima Beban Tekan Merata, Baik Dengan Maupun Tanpa Pengaku, Untuk Menentukan Kapasitas. _f

  b = 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). _c

  f = Tegangan Beban Layan Pada Pelat Penutup Atau Lembaran. _y f = Tegangan Tekuk Elastis Pelat. _c f = Tegangan Kritis. _oc f = Tegangan Tekuk Lentur, Torsi Dan Lentur Torsi Elastic. _od f = 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.

  l l l _{ex ey , ez} , = 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 _{c 1} = 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.

  , , = Rasio Kelangsingan.

  λ ^{1 λ 2 λ 3}