1  

ANALISA PERBANDINGAN MODEL KERUNTUHAN PROFIL HEXAGONAL DAN CIRCULAR CASTELLATED BEAM DENGAN PROGRAM FEA

Saidul Ulum, Budi Suswanto, ST, MT, P.hD, Ir. Heppy Kristijanto, MS Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia E-mail : budi_suswanto@ce.its.ac.id

Abstrak - Penggunaan balok baja dengan menggunakan castellated beam selain dapat mengurangi biaya konstruksi dan membuat bahan menjadi lebih ringan jika dibanding dengan profil dengan dimensi yang sama, juga akan membuat momen inersia dan section modulus yang lebih besar, sehingga mampu memikul momen yang lebih besar dan tegangan ijin yang lebih kecil.

Tugas Akhir ini difokuskan untuk menganalisa perbandingan model keruntuhan bukaan castellated beam, dengan dua jenis bentuk bukaan yaitu circular dan hexagonal antara solid beam IWF 250.125.6.9, IWF 400.200.8.13 dan IWF 450.200.9.14 yang sebelumnya telah direncanakan menjadi castellated beam.

Hasil pemodelan dan analisa keruntuhan balok castellated beam menyimpulkan bahwa balok dengan bukaan hexagonal memiliki kekakuan yang lebih baik dari pada balok dengan bukaan circular pada sampel yang sama, hal ini ditunjukan dengan perbedaan nilai persentase tegangan sebesar 5,126% dan defleksi 7,852% pada balok circular castellated beam.

Kata Kunci: model keruntuhan, circular castellated beam, rectangular castellated beam, Program FEA.

I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang Keuntungan penggunaan balok baja dengan

menggunakan castellated beam selain dapat mengurangi biaya konstruksi dan membuat bahan menjadi lebih ringan jika dibanding dengan profil dengan dimensi yang sama, juga akan membuat momen inersia dan section modulus yang lebih besar, sehingga mampu memikul momen yang lebih besar dan tegangan ijin yang lebih kecil (Megharief, J. D. 1997). Hal ini dapat dilakukan dengan memotong profil baja searah sumbu batang sehingga didapatkan dua bagian profil tersebut yang sama, kemudian kedua bagian profil tersebut disambung pada bagian punggungnya dengan las, maka didapatkan profil baru yang disebut castellated beam, dimana beratnya sama atau kurang dari profil sebelumnya tetapi badannya lebih tinggi.

Ada berbagai jenis bentuk bukaan yang terdapat

dalam castellated beam. Diantaranya berbentuk lingkaran (circular), segienam (hexagonal), segiempat (rectangular), dan lain sebagainya.

Tugas Akhir ini difokuskan untuk menganalisa perbandingan model keruntuhan dari castellated beam, dengan dua jenis bentuk bukaan yaitu circular dan hexagonal. Bukaan circular dan hexagonal pada castellated beam tersebut direncanakan dari solid beam profil IWF dengan tiga jenis sampel profil.

Profil yang dipakai sebagai peninjau digunakan profil WF (wide flange). Karena pada perencanan struktur bangunan baja, desain struktur utamanya lebih banyak menggunakan profil WF dibandingkan profil yang lain, selain itu profil WF cenderung lebih menekuk pada bagian badan dibandingkan sayapnya akibat lenturan pada balok baja.

B. Perumusan Masalah Perumusan permasalahan umum : 1. Bagaimana menganalisa perbandingan model

keruntuhan castellated beam pada bukaan hexagonal dan circular dengan program FEA (Abaqus 6.10).

Perumusan permasalahan khusus : a. Bagaimana mengetahui distribusi tegangan dan

regangan dari program Abaqus 6.10. b. Bagaimana mengetahui perbandingan lendutan,

dan prilaku elemen struktur yang terjadi dari masing-masing jenis bukaan dari program Abaqus 6.10.

C. Batasan Masalah Batasan-batasan pembahsan masalah dalam tugas akhir ini meliputi : 1. Elemen struktur yang ditinjau adalah balok

castellated beam dengan perletakan sederhana (sendi-sendi).

2. Analisa pembebanan terhadap struktur hanya merupakan beban displacement pada tengah bentang balok.

3. Analisa ini menggunakan profil WF (wide flange) yang direncanakan menjadi castellated beam dengan bukaan circular dan hexagonal.

4. Analisa ini hanya pada jenis bentuk bukaan circular dan hexagonal.

5. Analisa ini menggunakan tiga jenis sampel profil dengan dua jenis bukaan.

6. Analisa ini tidak meninjau biaya, manajemen proyek, dan segi arsitektural.

7. Analisa ini mengacu pada jurnal ASCE, AISC dan SNI 03 – 1729 – 2002.

8. Analisa menggunakan bantuan program bantu Finite Element Analysis (Abaqus 6.10).

II. TINJAUAN PUSTAKA

A. Pengertian Castellted Beam Castellated beam adalah profil baja H, I, atau U

yang kemudian pada bagian badannya dipotong memanjang dengan pola zig-zag. Kemudian bentuk dasar baja diubah dengan menggeser atau membalik setengah bagian profil baja yang telah dipotong. Penyambungan setengah profil dilakukan dengan cara di las pada bagian “gigi-giginya” sehingga terbentuk profil baru dengan lubang berbentuk segi enam (hexagonal), segi delapan (octogonal), dan lingkaran (circular) sehingga menghasilkan modulus penampang yang lebih besar.

III. METODOLOGI

A. Flowchart Metode Penyelesaian

Gambar 3.1 Flowchart Metode Penyelesaian

IV. ANALISA DAN HASIL ANALISA

A. Data Perencanaan Dalam perencanaan digunakan balok baja solid

IWF yang dikastelasi dengan data-data perencanaan yang digunakan sebagai berikut : Dengan Mutu baja BJ 41 fy = 250 Mpa Fu = 410 Mpa Modulus elastisitas (E) = 200000 Mpa

B. Preliminary Desain Ada tiga jenis balok solid IWF dalam perencanaan

ini yang kemudian direncanakan menjadi balok kastela dengan masing-masing balok solid direncanakan dengan bukaan hexagonal dan circular. Dimensi balok IWF sebelum dikastelasi : a. IWF 250.125.6.9 b. IWF 400.200.8.13 c. IWF 450.200.9.14 Data balok IWF setelah dikastelasi a. Hexagonal Castellated Beam

Gambar 4.1 Geometri Balok Hexagonal Castellated Beam

Tabel 4.1 Geometri Hexagonal Castellated Beam

d h

St

Sbe

b e

s

s

ao

dg

St

Sb

b e

ho

250.125.6.9 400.200.8.13 450.200.9.14

375.125.6.9 600.200.8.13 675.200.9.14

d = 250.00 400.00 450.00 mmdg = 350.00 560.00 630.00 mmbf = 125.00 200.00 200.00 mmtw = 6.00 8.00 9.00 mmtf = 9.00 13.00 14.00 mm

Ø = 60.00 60.00 60.00 o

h = 100.00 160.00 180.00 mmb = 57.74 92.38 103.92 mmSt = 75.00 120.00 135.00 mmSb = 75.00 120.00 135.00 mmho = 200.00 320.00 360.00 mmao = 215.47 344.75 387.85 mme = 100.00 160.00 180.00 mms = 315.47 504.75 567.85 mmK = 1.40 1.40 1.40

Hexagonal Castellated Beam

Solid Beam

sat

2

b. Circular Castellated Beam

Gambar 4.2 Geometri Balok Circullar Castellated

Beam

Tabel 4.2 Geometri Circullar Castellated Beam

C. Kontrol Bukaan dan Penampang Kontrol bukaan meliputi dan penampang mengacu pada jurnal ASCE, AISC dan SNI 03 – 1729 – 2002 meliputi :

a. Kontrol Bukaan b. Kontrol Penampang Profil c. Kontrol Tekuk Badan d. Kontrol Momen Lentur Nominal e. Kontrol Tekuk Lateral f. Kontrol Kuat Kuat Geser

D. Analisa Prilaku Balok Dari benda uji berupa 3 jenis Balok IWF

Castellated Beam dengan dua bukaan hexagonal dan circular, kemudian dilakukan analisa menggunakan program FEA untuk mendapatkan nilai tegangan dan defleksinya.

Pada Castellated Beam nilai tegangan dan defleksi dapat dilihat pada sumbu local pada elemen

tersebut. Warna pada elemen menunjukkan tegangan yang terjadi pada elemen tersebut. Semakin warna merah maka menunjukkan bahwa displacement, tegangan yang terjadi semakin besar.

Untuk titik peninjau keruntuhan diambil pada tengah bentang diatas lubang kastelasi, untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar 4.3 Titik Pengambilan Sampel

Keruntuhan

Dari program FEA, output yang dihasilkan berupa tegangan dan defleksi.

HCB1

Gambar 4.4 Model Keruntuhan Sampel HCB1

CCB1

Gambar 4.5 Model Keruntuhan Sampel CCB1

d h

St

Sbao

ao

s

ao

s

Dodg

St

Sb

250.125.6.9 400.200.8.13 450.200.9.14

375.125.6.9 600.200.8.13 675.200.9.14

d = 250.00 400.00 450.00 mmdg = 335.00 536.00 603.00 mmbf = 125.00 200.00 200.00 mmtw = 6.00 8.00 9.00 mmtf = 9.00 13.00 14.00 mmh = 100.00 160.00 180.00 mmSt = 67.50 108.00 121.50 mmSb = 67.50 108.00 121.50 mmDo = 200.00 320.00 360.00 mmao = 200.00 320.00 360.00 mme = 100.00 160.00 180.00 s = 300.00 480.00 540.00 mmK = 1.40 1.40 1.40

Hexagonal Castellated Beam

Solid Beam

sat

3

HC

CC

HC

Ga

CC

CB1

Gambar 4.3

CB1

Gambar 4.4

CB2

ambar 4.5 Gr

CB2

Gambar 4.6

3 Grafik Nila

4 Grafik Nila

rafik Nilai Te

6 Grafik Nila

ai Tegangan

ai Tegangan

egangan dan

ai Tegangan

dan Defleksi

dan Defleksi

n Defleksi

dan Defleksi

i

i

i

HC

CC

E.

Ta

Teg

G

Rat

CB3

Gambar 4.7

CB3

Gambar 4.8

PerbandinUji

abel 6. Nilai

gangan

Gambar 4.9 G

No Samp

1 HCB2 CCB3 HCB4 CCB5 HCB6 CCB

ta ‐ rata

Grafik Nilai

Grafik Nilai

ngan Tegang

Tegangan da

Grafik Bebanuntuk Sem

pelTegangan (N/mm2) 

B1 227.829       B1 242.652       B2 234.434       B2 246.725       B3 219.710       B3 229.551       

i Tegangan d

i Tegangan d gan dan Def

an Defleksi S

n terhadap Nimua Sampel

Perbeda an (%)

D

9 22 24 15 20 11 1

5.126          

6.109

4.982

4.287

dan Defleksi

dan Defleksi

fleksi 3 Sam

Semua Samp

ilai Teganga

mpel

pel Defleksi

(mm)Perbeda

(%)21.17023.42518.88020.09017.09318.560

7.8        

9.630

6.023

7.904

aan 

0

3

4

852

4

an

G

De

G

Te

G

Gambar 4.10

efleksi

Gambar 4.11

Gambar 4.1

egangan Ter

Gambar 4.13De

0 Nilai Tegan

1 Grafik Bebuntuk Sem

2 Nilai Defle

rhadap Defle

3 Grafik Nilaefleksi untuk

ngan untuk S

an terhadap mua Sampel

eksi untuk Se

eksi

ai Tegangan tk Semua Sam

Semua Samp

Nilai Deflek

emua Sampe

terhadap Nilmpel

el

ksi

el

lai

Ga

E.An

casttengteorawalelementersdib

Tab

terjkarfinielemoutpsehemp

ambar 4.14 N

Analisa Rualisa Tegang

Dapat dikatellated beagah bentang ri titik di tenal yaitu sebeh. Pada tnunjukan tesebutlah yangandingkan d

bel 4.3 Perba

Untuk sam

adi pada FEena pada FEite elemen smen elemenput teganga

hingga membpiris.

HCBHCBHCBCCBCCBCCB

Samp

Nilai TegangSemua

umus Empigan

atakan saat bam mengala

tepat pada lngah bentan

besar 250 Mtitik tersebegangan mag akan dicari

dengan hasil F

andingan Teghasil

mpel TegangA dan rumuEA, elemen sehingga tiapn yang lebihan elemen abuat hasilnya

an terhadap Sampel

Empiris(N/m

B1 B2 B3 B1 B2 B3

pelσ

ris

alok baik weami leleh alubang kaste

ng akan menMPa, namunbut akan taksimal teri dengan rumFEA

gangan rumuFEA

gan sebelums empiris terdianalisa d

p elemen dih kecil. Haakan dianalia lebih besar

Defleksi unt

ebsolid maupatau runtuh elasinya. Secncapai tegangn sebelum btentunya akrtentu.Tegangmus empiris l

us empiris da

s rata-rata Fmm2) (N/

180.46 22 185.22 23 175.61 21 191.98 24 196.79 24 186.94 22

σσ

m runtuh yarjadi perbeda

dengan progripecah menj

al itu membisa lebih dedaripada rum

tuk

pun di

cara gan baja kan gan lalu

an P

ang aan, ram jadi buat etail mus

FEA/mm2)27.8334.4319.7142.6546.7329.55

σ

5

B. Saran Analisa Defleksi Saran yang dapat diberikan sesuai dengan Tugas Akhir ini adalah :

Tabel 4.4 Perbandingan defleksi rumus empiris dan FEA 1. Perlu dilakukan pengujian eksperimental untuk

hasil yang lebih akurat.

6

frata-rata fempiris FEA

( mm ) ( mm ) ( mm ) ( mm )HCB1 6000 17.539 21.170 25HCB2 6000 11.309 18.880 25HCB3 6000 9.441 17.093 25CCB1 6000 19.495 23.425 25CCB2 6000 12.554 20.090 25CCB3 6000 10.500 18.560 25

SampelLb f ijin

DAFTAR PUSTAKA American Institute of Steel Construction ( AISC

).”Steel and Composite Beams with Web Openings”, USA, 2003.

American Society of Civil Engineers (ASCE), Dec. 1992. “Proposed Specification For Structural Steel Beams With Web Opening”. Journal of Structural Engineering Vol. 118: 3315-3324.

Secara garis besar hasil FEA selalu lebih besar, hasil FEA lebih valid karena dalam FEA, elemen dipecah menjadi beberapa bagian lalu tiap elemen akan dianalis oleh program Hal tersebut membuat hasilnya lebih valid sehingga memenuhi persyaratan lendutan.

Badan Standarisasi Nasional. 2002. Tata Cara Perencanaan Struktur Baja Untuk Bangunan Gedung (SNI 03 - 1729 - 2002). Bandung: BSN.

Megharief, J. D. Behaviour of Composite Castellated Beam. Montreal, Canada: Department of Civil Engineering and Applied Mechanics, Mc Gill University.

V. KESIMPULAN DAN SARAN

A. Kesimpulan Berikut ini adalah hasil yang dapat disimpulkan berdasarkan analisa model keruntuhan profil hexagonal castellated beam dengan program bantu Finite Element Analysis.

1. Dari hasil analisa FEA, nilai tegangan pada

setiap sampel circular castellated beam (CCB) lebih besar 5,125% dari nilai tegangan hexagonal castellated beam (HCB).

2. Dari hasil analisa FEA, nilai defleksi pada

setiap sampel circular castellated beam (CCB) lebih besar 7,852% dari nilai defleksi hexagonal castellated beam (HCB).

3. Dari hasil analisa FEA, dapat disimpulkan dengan Ix pada sampel CCB lebih kecil dari sampel HCB, mengakibatkan defleksi dan tegangan yang lebih besar pada sampel CCB. Sehingga sampel HCB lebih kaku.

4. Pada analisa FEA membuktikan bahwa ketika

penampang mengalami kelelehan, lendutan menjadi semakin besar tidak lagi linear.

5. Hasil analisa program FEA dan rumus empiris sedikit memiliki perbedaan nilai, karena pada program FEA kita melakukan meshing elemen sehingga analisanya memiliki akurasi validasi nilai yang tinggi dibanding rumus empiris yang hanya menghitung per elemen tanpa melakukan meshing.