model numerik dari hasil eksperimental full-scale struktur

Model Numerik dari Hasil Eksperimental Full-Scale Struktur Komposit Baja-Beton untuk Sambungan Eksterior dan Interior

Edith Baskara dan Henki Wibowo Ashadi

1. Departemen Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok, 16424, Indonesia2. Departemen Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok, 16424, Indonesia

E-mail : [email protected]

Abstrak

Pada penelitian kali ini akan diteliti struktur komposit yang dikenal dengan istilah Concrete Filled Steel Tube (CFST) yaitu struktur baja hollow kotak yang diisi dengan beton. Beberapa keuntungan dari struktur CFST antara lain adalah struktur memiliki daktilitas yang tinggi jika dibandingkan dengan struktur beton bertulang biasa, penampang beton dapat mencegah terjadinya local buckling pada penampang hollow baja dan sebaliknya penampang baja menjadikan struktur beton menjadi struktur yang confine sehingga beton dapat meningkatkan kekuatannya. Tujuan dari penelitian ini adalah melakukan analisa perilaku struktur komposit CFST dengan melakukan eksperimen full-scale dan memodelkan struktur dengan menggunakan metode kekakuan dan permodelan fiber model pada penampang balok. Analisa yang dilakukan mencakup analisa perilaku linear dan non-linear penampang, analisa kekakuan sambungan dan kapasitas sambungan. Proses analisa dilakukan dengan membandingkan grafik eksperimen dan grafik hasil permodelan. Hasil penelitian menunjukan bahwa grafik hasil eksperimen saling berhimpitan dengan grafik permodelan sehingga dapat disimpulkan sambungan memiliki sifat kekakuan yang rigid dan penampang balok dapat bekerja dengan baik. Berdasarkan kapasitasnya sambungan memiliki kapasitas yang cukup besar sehingga sambungan tetap elastis pada saat balok mengalami leleh.

Numerical Modelling of Full-Scale Experimental Result of Steel-Concrete Composite Structure for Exterior and Interior Joint

Abstract

This research will investigate composite structure that has known as concrete filled steel tube (CFST), steel hollow cross section fill in with concrete. Some of the advantages of CFST structure are this structure has a high ductility if we compare it with common concrete reinforcement, concrete cross section will prevent steel tube to occurrence of local buckling, and on the other hand steel will confine the concrete so it will increase strength of concrete it self. The aim of this research is to analyze the behavior of CFST’s structure by modelling it by stiffness matrix method and modelling fiber to beam cross section. The analysis are including behavior of linear and non-linear of beam cross section, connection stiffness, and connection capacity. The analyzing process does by compare the graphic of experiment and the graphic of modelling results. This research show that experiment’s graphics are close to the graphic of modelling result, it conclude that connection

Model numerik ..., Edith Baskara, FT UI, 2015

has rigid stiffness and CFST cross section can work properly. The graphic also show that connection has enough strength to keep linear while beam has yielding. Keywords : CFST, fiber model, non-linear, rigidity Pendahuluan

Pada penelitian kali ini akan di teliti struktur komposit yang merupakan kombinasi antara baja

dan beton, dengan rincian penampang baja hollow kotak yang diisi dengan beton atau dikenal dengan

istilah concrete filled steel tube (CFST). Struktur ini sudah secara luas dipakai dalam bidang

konstruksi diantaranya adalah sebagai balok girder jembatan kereta api yang terdapat di Jepang

(Hosaka et al., 1997; Nakamura et al., 2004). Struktur CFST memiliki keuntungan jika dibandingkan

dengan balok beton bertulang biasa. Beberapa keuntungan dari struktur CFST antara lain adalah

struktur memiliki daktilitas yang tinggi jika dibandingkan dengan struktur beton bertulang biasa,

penampang beton dapat mencegah terjadinya local buckling pada penampang hollow baja dan

sebaliknya penampang baja dapat menjadikan struktur beton menjadi struktur yang confine sehingga

beton dapat meningkatkan kekuatannya. Menurut penelitian juga dapat disimpulkan bahwa struktur

ini memiliki ketahanan yang baik pada kondisi beban seismik. Tujuan dari penelitian ini adalah melakukan analisa perilaku struktur komposit CFST. Analisa yang dilakukan mencakup analisa perilaku linear dan non-linear penampang, analisa kekakuan sambungan dan kapasitas sambungan.

Penelitian dilakukan dengan melakukan analisa perhitungan numerik dan melakukan

eksperimen pada struktur komposit concrete filled steel tube (CFST). Struktur yang dianalisa

merupakan stuktur portal pada sambungan eksterior dan interior struktur bangunan gedung yang

sebenarnya. Analisa perhitungan numerik dilakukan dengan melakukan analisa fiber model pada

penampang komposit dengan membagi penampang menjadi serat – serat dan memodelkan

perilaku struktur portal bidang (2 dimensi) dengan menggunakan metode kekakuan. Penilitian eksperimental dilakukan dengan menguji struktur portal komposit skala penuh (full-scaled) yang dibebani lateral secara quasi-static yang merupakan simulasi beban gempa. Eksperimen dilakukan pada 2 sampel yaitu 1 sampel struktur portal eksterior dan 1 sampel struktur portal interior.

Kemudian dilakukan analisa perbandingan antara analisa perhitungan numerik dengan hasil eksperimen. Analisa dilakukan dengan membandingkan grafik hasil analisa numerik dan grafik hasil eksperimen.


Pada penelitian kali ini, penelitian eksperimental telah dilakukan sebelumnya oleh saudara Achmad Purwadi dan saudara Susilahadi. Penelitian dilakukan guna penulisan Tesis yang dibimbing Dr-Ing. Ir. Henki Wibowo Ashadi. Sehingga pada kesempatan kali ini penulis hanya melakukan pengolahan data dari penelitian eksperimen tersebut.

Metode Penelitian

Berikut ini merupakan diagram alir penelitian yang dilakukan :

Gambar 1. Diagram Alir Penelitian

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, penelitian kali ini dilakukan dengan melakukan eksperimen full-scale dan kemudian akan dilakukan permodelan numerik yaitu dengan memodelkan struktur portal 2 dimensi dengan menggunakan metode kekakuan dan melakukan permodelan fiber model pada balok.


Eksperimen dilakukan pada 2 benda uji yaitu portal eksterior dan portal interior dengan

kriteria dimensi dan sambungan yang sama. Dimensi balok benda uji adalah 300 mm x 500 mm

x 2300 mm dan dimensi kolom benda uji adalah 500 mm x 500 mm x 3200 mm. Mutu beton

benda uji adalah K-400 dan mutu baja benda uji adalah ASTM A36. Pembebanan yang

dilakukan adalah pembebanan lateral secara quasi-static yang merupakan simulasi beban gempa.

(a)

(b)

Gambar 2. (a) Portal eksterior (b) Portal interior

Sambungan balok - kolom yang digunakan pada benda uji adalah sambungan Flange Splices

Connection dengan detail pada bagian flange (atas dan bawah) balok terdapat pelat sambung yang

disambung dengan menggunakan sambungan las. Sambungan las terletak pada pertemuan antara


pelat sambung dengan kolom, pertemuan antara pelat sambung dengan balok dan pertemuan

antara ketiga elemen tersebut, dan pada bagian web balok digunakan sambungan las pada

pertemuan balok dengan kolom. Bagian sambungan didesain secara elastis dengan cara

meningkatkan kapasitas momen yang dapat ditahan oleh penampang sehingga kegagalan hanya

terjadi pada bagian balok.

Gambar 3. Letak strain gauge

Pada eksperimen bagian balok digunakan alat ukur regangan strain gauge, terdapat 6 strain

gauge yang dipasang pada balok (seperti pada gambar 3), 3 strain gauge diletakkan pada bagian

pelat sambung (SG 4, 5, dan 6) dan 3 strain gauge pada balok yang didesain akan terjadi sendi

plastis (SG 1, 2, dan 3). Strain gauge dipasang berpasangan, atas dan bawah, untuk mengetahui

perilaku lentur dari balok.

Gambar 4. Penampang balok pada bagian sambungan (kiri) dan pada yang tidak pada bagian sambungan (kanan)

Permodelan numerik dilakukan dengan memodelkan portal secara 2 dimensi dengan

menggunakan metode kekakuan dan memodelkan fiber model pada bagian balok yang mengalami

leleh. Permodelan portal 2 dimensi dengan metode kekakuan dilakukan dengan menaruh nodal


pada tiap – tiap ujung elemen portal (balok dan kolom) dan pertemuan balok dan kolom. Kemudian dari permodelan portal 2 dimensi tersebut didapatkan hasil gaya dalam dan displacement (kurvatur dan rotasi) pada bagian balok. Hasil yang didapatkan melalui permodelan dengan metode kekakuan ini merupakan hasil yang bersifat linier.

Kemudian permodelan lain yang dilakukan adalah fiber model yang akan memberi informasi

perilaku penampang balok pada keadaan linier dan non-linier. Metode fiber model adalah suatu

metode yang digunakan untuk menganalisa perilaku suatu penampang struktur. Konsep yang

dilakukan pada metode ini adalah dengan membagi – bagi penampang menjadi serat – serat kecil

yang kemudian pada masing – masing serat tersebut memberikan perilaku linier dan non – linier

penampang. Pembagian penampang menjadi serat – serat kecil diharapkan dapat memberikan

perilaku material penampang yang akurat.

Hasil dan Pembahasan Penelitian

Analisa penampang dapat dilakukan dengan menganalisa grafik momen-regangan, regangan serat atas dan bawah penampang, dari hasil eksperimen dan permodelan numerik. Berikut merupakan hasil grafik momen-regangan :

Gambar 5. Grafik momen vs regangan (serat tekan dan tarik)

Berdasarkan grafik dapat dilihat bahwa pada permodelan yang dilakukan secara numerik

dapat dilihat kontribusi antara baja dan beton dimana tegangan tarik seluruhnya ditahan oleh baja

dan tegangan tekan ditahan oleh baja dan beton sehingga regangan tekan menjadi lebih kecil jika

dibandingkan dengan regangan tarik. Hasil eksperimen juga menunjukkan perilaku yang sama

dengan hasil analisa permodelan dimana dari grafik dapat dilihat bahwa sisi tekan memiliki


kemiringan yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan kemiringan garis pada sisi tarik (pada

kondisi linier) yang menunjukan bahwa pada sisi tekan terdapat kontribusi baja dan beton

sementara sisi tarik hanya ditahan oleh baja. Berdasarkan eksperimen dapat dilihat juga bahwa

leleh pertama terjadi pada regangan tarik dan grafik eksperimen juga menunjukan momen leleh

dapat dicapai dengan baik sesuai dengan hasil analisa permodelan.

Berikut ini merupakan hasil grafik momen – kurvatur pada bagian balok sambung :

Gambar 6. Grafik momen vs kurvatur pada bagian balok sambung (SG 4)




Berdasarkan grafik momen-kurvatur diatas dapat dilihat bahwa balok pada bagian

sambungan bekerja dengan baik dan masih tetap bersifat linier, tidak mengalami leleh.

Berdasarkan grafik diatas dapat dilihat grafik eksperimen yang saling berhimpitan dengan

dengan grafik hasil permodelan yang menunjukan bahwa kekakuan dari hasil eksperimen sama

dengan kekakuan yang dihasilkan berdasarkan analisa. Perilaku struktur seperti ini menunjukan

bahwa penampang struktur komposit bekerja dengan baik, dan sambungan antara balok

sambungan dan kolom yang bersifat rigid.

Gambar 9. Grafik momen vs kurvatur pada bagian balok (SG 1)




Berdasarkan grafik momen kurvatur pada bagian balok dapat dilihat bahwa ketiga grafik

menunjukan perilaku yang serupa dimana kapasitas momen leleh penampang dapat dicapai

sesuai dengan besar kapasitas momen leleh hasil permodelan. Pada keadaan awal grafik

eksperimen cenderung menunjukan perilaku yang sama dengan grafik permodelan, dimana

grafik eksperimen saling berimpitan dengan grafik permodelan. Hal ini menunjukan bahwa nilai

kekakuan balok pada keadaan yang sebenarnya sesuai dengan kekakuan hasil perhitungan

analisa. Berdasarkan grafik juga dapat dilihat terdapat gap antara grafik eksperimen dengan

grafik permodelan, hal tersebut dapat terjadi dikarenakan adanya kesalahan pada pembacaan

strain gauge dimana strain gauge dapat tidak menempel dengan baik pada permukaan balok.


Gambar 12. Grafik momen vs rotasi pada bagian balok

Berdasarkan grafik momen – rotasi diatas dapat dilihat grafik eksperimen yang berimpitan dengan grafik permodelan, hal ini sesuai dengan perilaku momen – kurvatur yang telah dijelaskan sebelumnya. Berdasarkan hasil tersebut didapatkan kekakuan rotasi balok sebesar 341879.07 kNm/rad. Kesimpulan

Berdasarkan analisa yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan hal – hal sebagai berikut :

1. Penampang komposit dapat bekerja dengan baik sehingga kekakuan (stiffness) dan kekuatan (strength) dapat dicapai dengan baik sesuai dengan hasil permodelan.

2. Berdasarkan eksperimen dapat disimpulkan pada penampang komposit terdapat

interaksi antara baja dengan beton, dimana melalui analisa penampang didapatkan kesimpulan bahwa pada sisi tegangan tarik ditahan oleh baja dan pada sisi tegangan tekan ditahan oleh baja dan beton.

3. Sambungan antara balok dan kolom bersifat rigid, hal ini dapat disimpulkan

berdasarkan grafik momen-kurvatur hasil analisa dan hasil eksperimen yang saling berhimpitan. Sambungan juga memiliki kekuatan yang cukup sehingga sambungan tetap dalam keadaan linier sementara balok mengalami leleh.


Daftar Referensi Bruneau,M.C.-M.(2011).DuctileDesignofSteelStructure-SecondEdition.UnitedStatesofAmerica:

McGraw-Hill. Eurocode3:Designofsteelstructures.(1993). Han,L.-H.(2004).FlexuralBehaviourofConcrete-FilledSteelTubes.ScienceDirect,313-337. Handianfard,M.A.Razani,R.(2000).EffectsofSemi-RigidBehaviorofConnectionsintheRealiabilityof

SteelFrame.ScienceDirect,123-138. Hibbeler,R.(2012).StructuralAnalysis-EigthEdition.UnitedStatesofAmerica:PrenticeHall. Johnson,R.(1994).CompositeStructuresofSteelandConcrete-SecondEdition.Warwick:Blackwell

Scientific. Katili,I.(2008).MetodeElemenHinggauntukSkeletal.Jakarta:RajaGrafindoPersada. P.Boresi,A.J.(2002).AdvanceMechanicsOfMaterial-SixthEdition.UnitedStatesofAmerica:

JOHNWILEY&SONS,INC. P.Popov,E.(1990).EngineeringMechanicsofSolids.NewJersey:PRENTICEHALL. Purwadi,A.(2011).PerilakuNon-LinierPenampangKompositBajadanBetonpadaSambunganInterior.

DEPOK:UNIVERSITASINDONESIA. Somayaji,S.(2001).CivilEngineeringMaterials-SecondEdition.UnitedStatesofAmerica:PrenticeHall. Sultan,A.-R.(2007).Performance-BasedOptimalDesignofSemo-RigidConnectedSteelFramesUnder

SeismicLoading.Iowa:UniversityofIowa. Susilahadi.(2011).PerilakuNon-LinierPenampangKompositBajadanBetonpadaSambunganEksterior.

DEPOK:UNIVERSITASINDONESIA. Tubes,F.S.-F.(2006).Han,Lin-hai.Lu,Hiu.Yao,Guo-Huang.Liao,Fei-Yu.ScienceFirect,554-565. Zidonis,I.(2013).StrengthCalculationMethodforCeoss-SectionofReinforcedConcreteFlexural

MemberUsingCurvilinierConcreteStressDiagramofEN-2.ScienceDirect,1309-1318. Zupancic,E.(2006).RotationCapacityofSemirigidConnection.Ljubljana.


model numerik dari hasil eksperimental full-scale struktur

Documents