Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Mater; IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

KEKUATAN BAJA PROFIL C RINGANDENGAN WEB BERLOBANG

$3~

Harkali SetiyonoUPT -Laboratorium Uji Konstruksi B P P Teknologi

ABSTRAKKEKUATAN BAJA PROFIL C KINGAN DENGAN WEB BERLOBANG. Makalah ini menyajikan hasil penelitian

kekuatan baja profit C ringan dengan web berlobang akibat beban tekan memusat. Penelitian di!aksanakan secara eksperimentaldan diarahkan untuk mengembangkan rumus empiris yang dapat digunakan untuk memprediksi kekuatan web yang berlobangakibat beban kerja. Rumus empiris ini dinyatakan sebagai fungsi dari ratio tinggi lobang terhadap tinggi web (a/hw) dan ratio !ebarlobang terhadap !ehar efektif tumpuan beban (bin 1). Ketelitian rum us empiris dieva!uasi secara statistik, dimana hasi! prediksinyatemyata cukup konservatif dibanding hasi! eksperimental dan masih berada pada batas toleransi yang diijinkan.

ABSTRACT

THE STRENGTH OF A THIN-WALLED LIPPED-cHANNEL STEEL SECTION wrrH PERFORA- TED WEB.This paper presents research findings on the strength of a thin-walled lipped-channel steel section beam with opening websubjected to a concentrated-compressive load. The research is carried out experimentally and aimed at developing an empiricalformula, which can be used to predict the strength of opening web under the applied load. The empirical formula is expressed interms of ratios of opening height and web height (a/hw) as well as opening width and effective width of load bearing (bin I). Theaccuracy of the empirical formula is statistically assessed, where its predicted results are fairly conservative compared toexperimental ones and still scattered within an acceptable limit.

PENDABULUAN pIing, dimana penurunan kekuatan akan dipengaruhioleh rasio dimensi lobang daD dimensi utama webmaupun tumpuan behan. Parameter ini akan merupakanvariabel yang dominan dalam forrnulasi empiris untukprediksi kekuatan web berlobang.

PENDEKATANEKSPERIMENTAL

Pendekatan ekspeTimental dilaksanakan padabenda uji baja profil C Tingan yang berjumlah 100batang dimana 9 batang dengan tanpa web berlobangdan 91 batang dengan web berlobang.

Benda uji

Geometris dari benda uji dapat dilihat padaGambar 1 dan benda uji terbuat dari baja Galvanized.Berdasarkan ratio tinggi web (hw) dan tebal web (t)benda uji dikelompokkan kedalam tiga seri yaitu seri I(hwlt = 131,6), seri n (hw/t = 164,8) dan seri ill (hwlt =

73,8). Benda uji diperoleh dengan memotong komponenbaja profil C ringan yang panjang dengan menggmJakanmesin gergaji presisi ( Precision band saw ). Karenabenda uji sangat tipis, maka selama pemotongandidalam profil disisipkan balok kayu agar profil tidakterpuntir dan melengkung.

Da1am Tarell (~uadimensi daIam rom), L ada1ahpanjang keseluruhan benda uji. Sifat mekanis materialdasar ketiga seri benda uji dievaluasi melalui pengujiantarik statis berdasarkan metode standard ASlM [3J danbasil pengujiannya menunjukkan bahwa rata-rata

Didalam konstruksi rangka batang daTi baja,batang daD kolom yang mendukung beban memusat(tennasuk reaksi beban kelja) memerlukan pertimbangankhusus. Beban memusat itu biasanya bekelja pada satusisi flange saja daD perpindahan beban tersebutkebagian web hams memenuhi persyaratan tertentu.Bahaya dari tipe pembebanan ini akan dapat me-nimbulkan gaya tekan yang besar sekali diperpotonganantara web dan flange sehingga dapat mernsak webatau dikenal juga dengan sebutan web crippling.Masalah ini akan menjadi lebih besar lagi kalau bagianweb dalam keadaan berlobang.

Didalam praktek, sering dijumpai bahwa pe-makaian profil baja ringan dalam konstruksi terpaksaharns dilobangi bagian web-nya dengan tujuan untukmelewatkan jaringan kabel, peralatan pipa aliran udaradlI. Karena penelitian mengenai pengaruh lobang padaweb terhadap kekuatan web crippling dari baja profitringan botch dikatakan masih kurang dan juga untukmemberikan pegangan dalam mendesain konstruksidengan profit semacam ini, maka telah dicoba melaksanakan suatu program penelitian untuk mem-pelajariperilaku baja profit jenis ini. Sebagai obyek penelitian,digunakan baja profit C ringan dengan sistim pembebaDan tekan memusat ditengah bentang atau Interior

one-f/ange loading (IOF) [2,4].Kehadiran lobang pada web akan dapat me-

ngurangi kekuatan baja profit ringan terhadap web crip-

Harkali Setiyono 115

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN1410-1897

Tabel I. Dimensi utama nominal benda uji

I

Benda

uji~I

I

W, w. 1 Jmlh t

11,52

I 0,91

770 32r;;-200 32 8

n 150 29 7 620

9 1.22 432 34III 90 34

JmI : jumlah benda uji

tegangan luluh cry (Yield strength) ketiga seri materialadalah seri 1 (cry = 337 MPa), seri n (cry = 270 MPa) dan

seri ill (cry = 260 MPa). Lobang berbentuk segi empat

pada web ditempatkantepat ditengah bentang benda ujidengan posisi simetris terhadap sumbu longitudinalbenda uji. Dimensi tinggi lobang a bervariasi dari 3 mmsampai dengan 75% tinggi web sedang lebar lobang bbervariasi dari 3 mIn sampai dengan 152 mIn.

benda uji sehingga akan memenuhi sistim Interior one-flange loading (IOF). Sistim pengujian pada Gambar 2.akan menyebabkan kerusakan tepat terjadi ditengahbentang benda uji sebagai akibat daTi konsentrasitegangan yang besar sekali dilokasi balok reaksi beban

(Reaction block).Untuk menghindari kemsakan pada kedua ujung

benda uji dan untuk mempertahankan posisi benda ujitetap horizontal selama pengujian, maka dikedua ujungbenda uji disisipkan balok kayu (Wooden block) daDditekan dengan gaya axial horizontal ~ 250 N yangdiberikan oleh hydraulic jack. Pada saat mesin ujiTINIUS-OLSEN memberikan beban uji, maka dengansistim pengujian diatas akan menyebabkan susunanbenda uji, balok pembeban, batang horizontal dan balokkayu menggeser kebawah bersarna-sama melalui sistimRoller sehingga bagian tengah daTi satu flange bendauji tertekan oleh balok reaksi beban dengan gayasebesar beban uji dari mesin TlNIUS-OLSEN.

Selarna pengujian defleksi lateral maupun vertikaldaTi web diukur dengan Displacement transducers(LVDT) sehingga hubungan beban uji (Load) daDdefleksi-defleksi tersebut dapat dicatat dalam X-Y plot-ters. Pengujian dilakukan pada temperatur kamar danumumnya pengujian dihentikan setelah beban uji mulaimenurun menjauhi nilai maksimumnya yang dapatdi capai.

Balok RangkaRangka Balok pembeban BebanPembeban Pendu

penduk~ng I Batang 1/ kungRoller horizontal J J:-obang Rpller

8

n=51mm~! I-.---Beban tekan

" Balok Benda Baiokjack kayu uji reaksi

bebanGambar 2. Sistem pengujian " web crippling" dengan

beban IOF.

Balok Loadcell

Gambar 1. Bentuk benda uji.

ANALISIS TEORIllSProsedur pengujian

Didalam pengujian, benda uji dibebani tekanstatis tepat ditengah bentangnya (IOF) dimana sistimpengujian ini dapat dilihat pada Gambar 2. Behan uji(Load) dipindahkan dari mesin uji TINIUS-OLSENmelalui batang horizontal (Beam) kekedua balokpembeban ( Loading block) yang dipasang dikeduaujung benda uji. Reaksi beban uji didukung oleh balokreaksi beban ( Reaction block) daD selanjutnyaditeruskan kesatu sisi flange dari benda uji. Lebar daribalok-balok pembeban dan reaksi beban n = 51 mm dan

balok reaksi beban ditempatkan tepat ditengah bentang

Didalam penelitian ini, kekuatan web cripplingdari baja profil C ringan tanpa web berlobang akibatbeban IOF dianalisa secara teoritis dengan meng-gunakan spesifikasi desain khusus untuk baja profilbasil pembentukan dingin (Cold formed steel sec-tions). Karena tebal dari semua seri benda uji t < 3,2

mm, maka untuk perhitungan sifat-sifat penampangprofil cukup diassumsikan bahwa material terpusat padagaris tengah penampang profil daD jari-jari keleng-kungan profil boleh diganti dengan perpotongan daTibagian-bagian profil yang datar [1,4].

Dengan berdasarkan pada assumsi ini makaseluruh penampang profit C ringan tanpa web berlobang

116 Harkali Setiyono

Prosiding Perlemuan Ilmiah Sains Mate'; IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

yang diteliti akan berbentuk seperti pada Gambar 3(a).Akibat sistim pembebanan IOF seperti yang terlihatpada Gambar 2, maka profil akan mengalami interaksibeban tekan memusat ( Web crippling) dan momenlentur ( Bending moment) sehingga flange bagianbawah akan tertekan. Kalau tegangan tekan yang terjadimencapai tegangan tekan kritis, maka flange akanmengalami local buckling sehingga akan menjadikurang efektif dalam mendukung beban. Untukmenentukan kekuatan profil akibat interaksi antara webcrippling dan bending moment, maka seluruh sifat-sifat dari penampang profil ditentukan berdasarkanpenampang efektif profil seperti yang terlihat padaGanmr3 (b).

yield strength material dalam MPa.: design strength dalam MPa.

Sy

Py

POT adalah tegangan kritis (MPa) yang dapat me-nimbulkan local buckling pada flange dan besarnyaadalah:

dimana:t : tebal flange dalam rom.b: lebar selurnh flange dalam rom = b I.

K : konstanta buckling yang besarnya tergantungpada bentukflange, dimana untukflange yang belt>entukStiffened element besarnya K ditentukan sebagaiberikut:

O,Sb22 +O,Shw 2 +beff hw+b2(hw-O,Sb2)yt= bl+2b2+hw+beff

yc::hw-yt

(7)\0) PENAMPANG PENUlt '0.) PENAMPANQ EFrEKTIF

Garnbar 3. Penampang benda uji.

Lebarflange bi = Wf + 5t, lebar lekukanflangeb2 = Wt + 2,5t dan tinggi web hw = h + t. Dalam

Garnbar 3(a), daerah tarik (yt) sarna dengan daerah tekan(yc) sedang pada Gambar 3(b), daerah tarik (yt) tidaksarna dengan daerah tekan (yc). Lebar efektif flangebeff yang mendukung beban dapat diperoleh dari mmusberikut ini [I].

Posisi sumbu netral penampang eft'ektif:

Momen inersia penampang efektif terhadap sumbunetrnl (I) :

(8)2 II =t{ -b 2) + yt 2 hi + 7-(yt ) + yc ))+ yc 2 beff }

3 3

Modulus penampang elastis didaerah tarik <Zt>

(1)Kalau ~=Ih I

Z=-I yt (9)Kalau

~O,123 ;P .r

L:?; 0.123 ;P...

( 2) Modulus penampang elastis didaerah tekan <Zc} :~=[l+14{( L)o"-O.35 }4]-O.2

P..I

z=-e ycDalam nunus-nunus diatas, b = b 1 sedang fo

adalah tegangan tekan (MPa) yang bekerja sepanjangpenampang efektif dari flange dan tegangan ini dihitungdati [1]: Karena didalarn pengujian, profit disamping

mendukung beban tekan memusat juga mendukungroomeD tentur, maka pertu ditentukan besamya ke-marnpuan profit dalarn mendukung roomeD tentur ataumoment capacity <Mc). Posisi titik geser (Shearcenter) daTi profit C ringan berada dituar bidang web,sehingga dengan sistim pembebanan IOF disampingprofit akan mengalami flexural buckling sebagai akibat

(3)

dimana:hw : tinggi web dalam min.t : tebal web dalam min.

117Harkali Setiyono

Prosiding Pertemuan llmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN1410-2897

momen lentur, profit juga akan cenderung mengalamilateral-torsional buckling sebagai akibat daTi posisipembebanan yang berada diluar titik gesernya. Atasdasar ini, maka moment capacity Mc dari profitditentukan dengan mempertimbangkan ketahanannyaterhadap kedua tipe buckling tersebut.

Ketahanan momen akibat flexural buckling (M.)

Penentuan Mfb didasarkan pada persyaratanbahwa tegangan tekan maksimum yang bekerjadiperpotongan antara web daD flange tidak bolehmelampaui batas tegangan Po seperti yang dimmuskandalam mmus (3). Untuk yielding pertama-tama terjadididaerah tekan (zc < ~, maka ketahanan momen dariprofil akibat flexural buckling diperoleh dari

Gambar 4. Posisi titik berat profil.

Ketabanan momen terhadap lateral -torsionalbuckling (MJ

fi:rJl=VA

(17)

Luas penampang penuh profit:

A=t(2h, +2b2 +hw) (18)Karena berdasarkan syarat batas, kedna ujung

profil dicegab untuk tidak berotasi kesegala arab, makafBljn:J~ tjfp1Ofil (~ ) :

dimana My adalah yield moment yang dapat diperolehdati:

LE =0,7 LKalan :

(19)I,II -u -

lVly- yyc (13)

L (20).=-L{ 40 C , ; 17 = 0

ry

£L)40 C, ;17 = 0 ,002 (~40 C , )(21)ry ry

C,=l

Ix adalah momen inersia penampang penuh profit sepertiyang terlihat pada Gambar 3 (a) terhadap smnbu netralnya,dimana yt = yc = 0,5 hw.

b2 b hw2 hw3I J =2t( 2+ I +-) (14)

3 4 24

Untuk menghitung besaran-besaran h dan ~ 'maka perlu ditentukan momen inersia penampang penuhprofil terhadap sumbu vertikalnya (I ) seperti yang

y

terlihat pada Gambar 4.

2b,b2+b:x=0 2b,+2b2+hw

(15)

1f2AEhw I L IME:'. ';'-"" CE(I+-;:=;:-( E )2}O,S

2(.!::L) 2 20 ry hw

ry( 22)

I y=2t[b2(bl-Xo)2+~(bl- Xo)3+x;}+x;hw] (16)3

dimana:E : modulus elastisitas.A : luaspenampangpenuhprofil, rumus(18).hw : tinggi web.t : tebal profil.Dari rumus-rumus(12), (13), (20), (21)dan (22) didapatniBiM tb. Moment capacity Mc daTi profil ditentukansebagai berikut :

Radius gyrasi profil terhadap sumbu vertikal (ry) [9]

1M tb=-:;t {My +(l+7])M E}] -

Prosiding Pertemua" Ilmiah Sai"s Materi IIISerpo"g, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

Kalan Tabel2. Benda uji tanpa berlobang

M'b(M flI ; Mc=M'b (23) &oIal!iiNo.

Fe (KN) FCB(KN) Fe/FCB

Mtb>M... ; Mc=M... (24) 12.38

12.38

12.40

10.92 1.13

1- 2

1-3

n- 1

10.92

10.92

1.13

1.14

4.08

4.08

3.60

3.60

3.60

1.13

ll-2 1.13

U3

U7

n-3 4.08

Jadi untuk menghindari web crippling ~agaya tekan memusat maksimum yang bekerja pada profilakibat beban IOF tidak boleh melampaui gaya tekanmemusat yang diijinkan (F CB) daD gaya ini dapatdihitung melalui nnnus berikut ini [1,4].

F M1 .2 CB I -=--~ I ,5 (25)Fc M e

mol 7.63 6.S3

6.S3

6.S3

Ul-2 7.ro 1.16

li-3 7.63 1.17

djrnanaF c : gaya tekan memusat maksimum tanpa pengamh

interaksi momen lentur.M: momen lentur maksirnum yang bekerja pada profil.Mc: moment capacity dari profil.

Besarnya F CB digunakan sebagai prOOiksi teoritisdari kekuatan web crippling baja profil C ringan tanpaweb berlobang. Didalam rumus ( 25 ), F c dapat diperoleh

dari[l]:

(26)

ternyata dapat menghasilkan prediksi teoritis yangkonservatif, dimana daTi analisa statistik diperolel.bahwa penyimpangan rata-rata prediksi teoritismencapai 14,3% lebih rendah daTi basil eksperimendengan standard deviasi S = 0,018 dan coefficient ofvariation = 0,016. Hal ini menunjukkan bahwa prediksi

teoritis yang dihasilkan cukup arnan dan penyebarandatanya sangat konsisten serta masih berada padabatas-batas toleransi yang diijinkan untuk pengujianweb crippling, yaitu :i: 20%.

Untuk mengetahui kekuatan web crippling daribenda uji dengan web berlobang, maka beban-bebanmaksimum basil eksperimen benda-benda uji tanpa daDdengan web berlobang daTi seri yang sarna dibandingkan. Karena benda-benda uji yang dibanding kan dariseri yang sarna, rnaka dimensi nominal dan rnaterialnyajuga sarna, sehingga perbedaan beban maksimumeksperimentalnya semata-mata hanya disebabkan olehkehadiran lobang pada web. Suatu parameter nondimensional yang dipertimbangkan untuk mengetahuipengaruh lobang pada web terhadap penurunankekuatan web crippling adalah ratio R (Eksperimen)dari Fe (Dengan lobang web) / Fe (Tanpa lobang web).Penyebaran data basil eksperimen dianalisis regressi

sehingga didapat persamaan empiris yang dapatdigunakan untnk memprediksi nilai kekuatan webcrippling dari benda uji dengan web berlobang yangmendekati nilai aktualnya. Beberapa macam analisaregressi polynomial mulai dari derajad satu, dua dan tigatelah dicoba, kemudian hasilnya digunakan untukmemprediksi ratio R (Teori). Dengan membandingkanratio R (Teori) dengan ratio R (Eksperimen) sertamenganalisa penyebaran datanya secara statistik, makadidapatkan persarnaan prediksi empiris paling terbaikdigunakan adalah sebagai berikut :

dimana:t : tebal web dalam mm.K : py/228py : design strength dalam MPa.Cl : 1,22 -0,22KC2 : 1,06 -0,06 (r/t)r : radius kelengkungan antara web danflangen : lebar tumpuan beban dalam mm.C 12 : 0,7 + 0,3 ( e I 90 )2

e : sudut kemiringan webhw : tinggi web dalam mm.

BASIL DAN PEMBABASAN

Hasil-hasil eksperimen yang disajikan disiniberhubungan dengan beban-beban maksimum yangdapat dicapai dalam pengujian. Untuk setiap seri bendauji, paling sedikit tiga batang benda uji yang identik diujidan dari hasilnya diketahui bahwa penyimpangan nilaibeban maksimum yang didapat untuk setiap benda ujiterhadap nilai rata-ratanya temyata lebih kecil daTi 1 %.Untuk benda uji tanpa web berlobang, nilai bebanmaksimum eksperi-mentainya (Fe) dibandingkan dengannilai beban maksimum basil prediksi teoritis (F CB) sepertiberikut ini.

Prediksi teoritis dalam tabel diatas didasarkanpada ukuran dimensi nominal dari benda uji denganrata-rata modulus elastisitas untuk material bajaE = 200 X 103 MPa. Spesifikasi desain yang digunakan

119Harkali Setiyono

Prosiding Pertemuan llmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 /SSN /410-2897

h & t: Seperti yang didetinisikan dalam Tabell.nl .Lebarefektiftumpuanbeban=n+(h-a)n .Lebar tumpuan beban yang sebenarnya (mm).

Untuk mengetahui ketelitian dari penggunaanmmus (27), maka basil prediksi kekuatan web cripplingdengan web berlobang F CB (Dengan lobang web)dibandingkan dengan kekuatan aktualnya Fe (Denganlobang web) daD hubungan ratio RI = Fe (Dengan

lobang web) / F CD (Dengan lobang web) dengan parameter non dimensional a / hw serta b / nl disajikandalam Gambar 5. daD 6. Kedua gambar tersebutmenunjuk-kan bahwa sebagian besar data prediksiteoritis dari mmus (27) masih menyebar dalam batas-batas toleransi yang diijinkan untuk kasus web crip-pling, yaitu :I: 20% serta prediksinya cukup konservatif.Dari analisa statistik didapatkan bahwa rata-ratapenyebaran datanya 1,,061 dengan standard deviasi0,032 dan coefficient a/variation 0,030.

R(Teori ) = F c. (Dengan lobang web) =Fc. (Tanpa lobang web)

{1-O,197 (-.!!.-f}{I-O,127 (!!-)2]hw nl

(27)

dimana

FCB : PrOOiksi beban tekan memusat maksimum

yang dapat didukung oleh benda uji ( KN ).

Tinggi dari lobang ( mm ).Lebar dari lobang ( mm).Tinggi web (mm) = h +t.

abhw

KESIMPULAN

Penelitian eksperimental yang telah dilakukanmenghasilkan suatu nIlnUS empiris yang dapat diguna-kan untuk memprediksi berkurangnya kekuatan webcrippling dari baja profil C ringan akibat pengaruhlobang pada web. Dari rumus empiris yang dibasilkandapat disimpulkan juga bahwa kekuatan web cripplingtidak hanya dipengaruhi oleh lobang pada web saja,tetapi cacat pada web baik yang berposisi transversal(b = 0) maupun longitudinal (a = 0) dapat menurunkan

kekuatan web crippling. Penjabaran nIlnUS empiris inididasarkan pada parameter-parameter lobang (a / hw)dan (b /nl ), dimana lebar effektiftumpuan beban nldidasarkan pada sudut penyebaran beban memusat( Concentrated load dispersion angle) mendekati 45°.

Didalam penelitian juga digunakan spesifikasidesain untuk memprediksi kekuatan web crippling daribaja profil C ringan tanpa web berlobang daD basilnyaternyata cukup konselVatif dibanding basil eksperimen.Disamping itu ketelitian dari prediksi rumus empiris yangdihasilkan dievaluasi dengan basil eksperimen daDternyata dari basil analisa statistik prediksi rumus empirisrata-rata menyimpang 6,1% lebih rendah dari basileksperimen, tetapi penyimpangan data ini masih beradapada batas-batas toleransi :I:: 20%.

Gambar 5. Ketelitian prediksi rumus (27) terhadapvariasi tinggi lobang

DAFTAR PUSTAKA

[1]. British Standard Institution," Code of practice fordesign of cold -formed sections ", BS 5950 : Part 5: I987,pp.I5-26.

{2]. American Iron and Steel Institute, " Specifications

for .the Design of Cold -Formed Steel StructuralMembers ", AlSI, Washington, D.C., 1986.

[3]. American Society for Testing and Materials, " An-

nual Book of ASTM Standard ", Philadelphia, 1986.[4]. HARKALI SETIYONO," Web Crippling of Cold-

Gambar 6. Ketelitian prediksi rumus (27) terl1adap variasilebar lobang.