Analisa Tegangan Lentur Efektif Balok Komposit Dengan Variasi Rasio Ketinggian Pelat Beton Dan Profil Baja Berdasarkan Metode LRFD

  

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

09 0404 060

  Dosen Pembimbing:

  

Ir. TORANG SITORUS, MT

NIP. 19571012 198601 1 001

BIDANG STUDI STRUKTUR

DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  

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

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. 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, 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

  

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 ................................................................................ 1

  1.1 Umum .......................................................................................... 1

  1.2 Latar Belakang Masalah .............................................................. 3

  1.3 Tujuan .......................................................................................... 5

  1.4 Batasan Masalah .......................................................................... 5

  1.5 Metodologi ................................................................................... 6

  1.6 Sistematika Pembahasan .............................................................. 6

  

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...................................................................... 9

  2.1 Umum .......................................................................................... 9

  2.2 Perkembangan Struktur Komposit ............................................... 9

  2.3 Pengenalan Balok Komposit ...................................................... 11

  2.3.1 Aksi Komposit ............................................................... 11

  2.3.2 Hubungan Elastis dan Plastis Saat Terjadi Aksi Komposit ........................................................................ 14

  2.3.3 Keuntungan dan Kerugian ............................................. 19

  2.3.4 Lebar Efektif .................................................................. 21

  2.4 Metode Konstruksi Balok Komposit ......................................... 23

  2.5 Konsep LRFD dalam Perencanaan Struktur .............................. 24

  2.5.1 Faktor Beban dan Kombinasi Pembebanan ................... 26

  2.5.2 Faktor Tahanan .............................................................. 27

  2.5.3.2 Desain Balok Terkekang Lateral ..................... 32

  3.4.1 Beban Mati ..................................................................... 59

  3.6.1 Tahap 1: Pelat Pelat Belum Mengeras ........................... 67

  3.6 Menentukan Tegangan untuk Metode Pelaksanaan Tanpa Perancah ..................................................................................... 67

  3.5.1.6 Menentukan Beban yang Bekerja .................... 66

  3.5.1.5 Menentukan Momen Inersia Penampang Trasformasi ...................................................... 66

  3.5.1.4 Menentukan Letak Garis Netral ....................... 65

  3.5.1.3 Menentukan Lebar Efektif Ekivalen ................ 65

  3.5.1.2 Menentukan Nilai Rasio Modulus ................... 64

  3.5.1.1 Menentukan Lebar Efektif ............................... 63

  3.5.1 Menentukan Karakteristik Umum Balok Komposit ...... 63

  3.5 Prosedur Analisis ....................................................................... 63

  3.4.2 Beban Hidup .................................................................. 60

  3.4 Pembebanan ............................................................................... 58

  2.5.3.3 Beban Terpusat pada Balok ............................. 34

  3.3.2 Beton .............................................................................. 57

  3.3.1 Baja ................................................................................ 50

  3.3 Material ...................................................................................... 53

  3.2 Model Penampang ..................................................................... 52

  3.1 Umum ........................................................................................ 52

  

BAB III METODE ANALISA DAN APLIKASI .......................................... 52

  2.8 Lendutan .................................................................................... 49

  2.7 Alat Penyambung Geser ............................................................ 42

  2.6.2 Garis Netral Berpotongan pada Balok ........................... 41

  2.6.1 Garis Netral Berpotongan pada Pelat ............................. 39

  2.6 Konsep LRFD pada Balok Komposit ........................................ 37

  3.6.2 Tahap 2: Pelat Beton Sudah Mengeras .......................... 67

  Perancah di Sepanjang Bentang ................................................. 68

  3.9 Menentukan Tegangan untuk Metode Pelaksanaan dengan Perancah di Tengah Bentang ..................................................... 69

  3.9.1 Tahap 1: Pelat Beton Belum Mengeras ......................... 69

  3.9.2 Tahap 2: Pelat Beton Sudah Mengeras .......................... 69

  3.10 Menentukan Kuat Lentur Nominal ............................................ 70

  3.11 Pemeriksaan Lendutan ............................................................... 71

  3.11.1 Lendutan untuk Metode Konstruksi Tanpa Perancah .... 71

  3.11.2 Lendutan untuk Metode Konstruksi dengan Perancah .. 72

  3.12 Pemeriksaan Kesetimbangan Tegangan Terjadi ........................ 73

  

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ......................................................... 74

  4.1 Umum ........................................................................................ 74

  4.2 Perhitungan untuk Metode Konstruksi Tanpa Perancah ........... 76

  4.3 Perhitungan untuk Metode Konstruksi dengan Perancah di Sepanjang Bentang .................................................................... 78

  4.4 Perhitungan untuk Metode Konstruksi dengan Perancah di Tengah Bentang ......................................................................... 80

  4.5 Rekapitulasi Hasil Perhitungan .................................................. 83

  4.6 Tinjauan Hasil Perhitungan ....................................................... 87

  4.6.1 Tinjauan Nilai Rasio Efektif (t/H) untuk Perancah di Sepanjang Bentang ......................................................... 88

  4.6.2 Tinjauan Nilai Rasio Efektif (t/H) untuk Perancah di Tengah Bentang ............................................................. 90

  4.7 Aplikasi dalam Perencanaan ...................................................... 94

  

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ......................................................... 98

  5.1 Kesimpulan ................................................................................ 98

  5.2 Saran .......................................................................................... 99

  

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1

  Pengaruh Aksi Komposit Pada Balok Baja-Beton ....................... 18

Tabel 2.2 Faktor Tahanan............................................................................. 28Tabel 3.1 Sifat Mekanis Baja Struktural ...................................................... 56Tabel 3.2 Nilai Modulus Elastisitas Beton ................................................... 58Tabel 3.3 Berat Sendiri Bahan Bangunan dan Komponen Gedung ............. 60Tabel 3.4 Beban Hidup Pada Lantai Gedung ............................................... 62Tabel 3.5 Nilai Rasio Modulus n untuk Perencanaan Praktis ...................... 65 Tabel 3.6

  Batas Lendutan Maksimum ......................................................... 73

Tabel 4.1 Rasio Efektif (t/H) untuk Perancah di Sepanjang Bentang .......... 83Tabel 4.2 Rasio Efektif (t/H) untuk Perancah di Tengah Bentang............... 85Tabel 4.3 Perbandingan Desain Balok dengan Beberapa Kondisi untuk

  Perancah di Sepanjang Bentang ................................................... 88

Tabel 4.4 Perbandingan Desain Balok dengan Beberapa Kondisi untuk

  Perancah di Tengah Bentang ........................................................ 90

Tabel 4.5 Perbandingan Tegangan untuk Rasio Penampang Berbeda ......... 95

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1

  ...................................................................................... 22

  Kerja ............................................................................................. 45

Gambar 2.19 Gaya yang Diperlukan dari Alat Penyambung Geser pada Beban

  Tegangan Geser pada Penampang Komposit Baja-Beton ........... 44

Gambar 2.18 Bidang Gaya Geser untuk Beban Merata dan DistribusiGambar 2.17 Alat Penyambung Geser yang Umum .......................................... 43Gambar 2.16 Kuat Lentur Nominal Berdasarkan Distribusi Tegangan Plastis . 38Gambar 2.15 Tekuk Web Bergoyang ................................................................ 36Gambar 2.14 Balok dengan Beban Terpusat ..................................................... 35

  Kompak ........................................................................................ 33

Gambar 2.13 Tahanan Momen Nominal Penampang Kompak dan TakGambar 2.12 Diagram Tegangan-Regangan Material Baja ............................... 31Gambar 2.11 Distribusi Tegangan pada Level Beban Kerja ............................. 31Gambar 2.10 Modulus Penampang Berbagai Tipe Profil Simetri ..................... 30Gambar 2.9 Lebar Efektif Struktur Komposit ................................................. 20

  e

  Macam-Macam Struktur Komposit ............................................... 2

  Efektif b

  σ x yang Tidak Merata dan Lebar

Gambar 2.8 Distribusi Tegangan TekanGambar 2.7 Distribusi Tegangan Plastis dengan Aksi Komposit .................... 19

  Tanpa Aksi Komposit .................................................................. 17

Gambar 2.6 Perbandingan Respon Baja-Beton Dengan Aksi Komposit dan

  Pengaruh Penghubung Geser Terhadap Tegangan Lentur dan Geser ............................................................................................ 16

  Gambar 2.5

  Plastis ........................................................................................... 15

Gambar 2.4 Distribusi Tegangan Profil Baja Hingga Mencapai KeadaanGambar 2.3 Penampang Balok Beton dengan Diagram Tegangan .................. 15Gambar 2.2 Variasi Regangan pada Balok Komposit ..................................... 14

  Melendut Akibat Beban Vertikal ................................................. 12

Gambar 2.1 Keadaan Balok dengan dan Tanpa Aksi Komposit yangGambar 2.20 Stud Berkepala yang Sudah Terpasang pada Pelat Atas ProfilGambar 3.1 Model Penampang Analitis .......................................................... 52Gambar 3.2 Kurva Tegangan Tegangan (f)

• – Regangan (ε) ............................ 54

Gambar 3.3 Bagian Kurva Tegangan

• – Regangan yang Diperbesar ............... 55

Gambar 3.4 Diagram Tegangan pada Sistem Balok Komposit ....................... 64Gambar 3.5 Simbol untuk Beberapa Variabel Penampang.............................. 71Gambar 4.1 Penampang Balok Komposit ........................................................ 74Gambar 4.2 Balok Komposit Bentang 8m dan Potongan Melintang

  Penampang ................................................................................... 94

Gambar 4.3 Diagram Tegangan yang Terjadi pada Profil WF ........................ 96Gambar 4.4 Diagram Tegangan yang Terjadi pada Profil I ............................. 96

DAFTAR GRAFIK

  Grafik 4.1

  Rasio Efektif (t/H) untuk Perancah di Sepanjang Bentang .......... 84

  

Grafik 4.2 Rasio Efektif (t/H) untuk Perancah di Tengah Bentang............... 86

DAFTAR NOTASI

  regangan

  faktor beban

  f u tegangan putus f y tegangan leleh baja f yu tegangan leleh atas G modulus geser γ

  tegangan batas proporsional

  f e tegangan batas elastis f sb tegangan pada serat bawah profil baja f p

  tegangan yang terjadi pada beton

  ε u regangan saat tercapainya tegangan putus f’ c kuat tekan beton f c

  regangan saat mulai terjadi efek strain-hardening (penguatan regangan)

  ε sb

  A s luas penampang profil baja b f lebar profil baja b eff

  lebar efektif balok komposit

  modulus elastisitas beton

  E beban gempa E c

  lendutan

  Δ

  diameter stud

  d tinggi profil baja d s

  termasuk dinding, lantai, atap, plafon, partisi tetap, tangga, dan peralatan layan tetap

  C gaya tekan c x , c y jarak dari titik berat ke tepi serat arah x dan y

D beban mati yang diakibatkan oleh berat konstruksi permanen,

  E s modulus elastisitas baja ε

  I inersia penampang I x , I y momen inersia arah x dan y k tebal pelat sayap ditambah jari-jari peralihan k jarak antara muka sayap terluar ke kaki lengkungan badan L beban hidup yang ditimbulkan oleh penggunaan gedung,

  termasuk kejut, tetapi tidak termasuk beban lingkungan seperti angin, hujan, dan lain-lain

  L panjang bentang balok

La beban hidup di atap yang ditimbulkan selama perawatan oleh

  pekerja, peralatan, dan material, atau selama penggunaan biasa oleh orang dan benda bergerak

  λ

  kelangsingan penampang balok (= b/2t f )

   M momen yang terjadi M n

  momen nominal

  M u momen lentur akibat beban terfaktor M x , M y momen lentur arah x dan y N panjang dukung/dimensi longitudinal pelat perletakan n rasio modulus = _c ^s E

  E ϕ

  faktor tahanan

  ϕ b

  faktor tahanan momen lentur = 0,90

  Q beban yang harus dipikul struktur q D beban mati q ult

  kapasitas alat penyambung

  R n kekuatan nominal struktur S x , S y modulus penampang arah x dan y T gaya tekan t tebal pelat t f tebal sayap profil baja t w tebal badan profil baja

  W beban angin W x momen tahanan

w b berat bekisting per satuan luas

w c

  berat jenis beton

  w s berat jenis baja y tinggi serat dari garis netral Z modulus plastis