KoNTekS 6 S-73

Universitas Trisakti , Jakarta 1-2 November 2012

PENAMPANG BALOK TEREDUKSI (REDUCED BEAM SECTION)

DALAM PERATURAN BAJA STRUKTURAL INDONESIA UNTUK GEDUNG

SNI 1729-20xx

Suradjin Sutjipto1

1Jurusan Teknik Sipil, FTSP, Universitas Trisakti, Jl. Kiyai Tapa No. 1, Jakarta

Email: suradjin@ssi-web.com

ABSTRAK Penampang Balok Tereduksi (PBT) merupakan salah satu inovasi dalam perancangan gedung

baja struktural tahan gempa setelah terjadinya gempa Northridge tahun 1994, yang

memastikan konsep “strong column - weak beam” dapat terjadi sebagai mana mestinya. Pada

dasarnya, balok baja struktural diperlemah dalam arti yang sebenarnya dengan mereduksi

dimensi sayap-sayapnya agar sendi plastis terbentuk di lokasi yang sedikit jauh dari muka

kolom sehingga kegagalan pada sambungan balok ke kolom dapat terhindari. Persyaratan dan

ketentuan perancangan PBT diatur dalam ANSI/AISC 358-10/358s1-11 - Prequalified

Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications,

yang telah diadopsi sebagai bagian ketiga dari Peraturan Baja Struktural Indonesia untuk

gedung yang baru, SNI 1729-20xx, yang akan diterbitkan dalam waktu dekat ini. Makalah ini

akan memaparkan persyaratan desain dan detail-detail dari PBT disertai dengan penjelasan

latar belakangnya.

Kata kunci: Penampang Balok Tereduksi (PBT), gedung baja struktural tahan gempa,

sambungan terprakualifikasi, SNI 1729-20xx.

1. PENDAHULUAN

Gempa Northridge 17 Januari 1994 sungguh membuka mata semua ahli struktur. Gempa tersebut

memperlihatkan bahwa sambungan kaku balok-kolom pada rangka penahan momen struktur baja

mengalami kerusakan di luar mekanisme yang diyakini oleh semua ahli sampai saat itu. Hasil survey

sambungan balok-kolom pada 2,066 rangka struktur baja (8,675 sambungan dilakukan secara visual dan

7,812 sambungan dilakukan dengan menggunakan ultrasonic test), menunjukkan kegagalan tipikal terjadi

sebesar 50% pada sambungan las di sayap balok bagian bawah, 18% pada sambungan las di sayap balok

bagian atas, 15% pada sayap kolom di bagian pertemuan dengan sayap balok bagian bawah. Pada beberapa

sambungan terjadi sobekan vertikal di badan balok di sepanjang deretan baut penahan. Gambar 1

memperlihatkan berbagai kondisi kegagalan tersebut. Intinya kegagalan terjadi pada sambungan, bukan

pada balok akibat mekanisme sendi plastis.

Berbagai kiat dilakukan untuk memperbaiki kinerja sambungan kaku balok-kolom pada rangka penahan

momen struktur baja. Diantaranya dengan menambah pelat pengganda di atas dan di bawah sayap balok

(Gambar 2a), menambah pelat pengaku segi tiga di atas dan di bawah sayap balok (Gambar 2b), dan

menambah pelat samping yang menghubungkan sayap balok bagian atas dan bawah membentuk

penampang boks (Gambar 2c). Alih-alih memperkuat sambungan, muncul ide memperlemah balok dengan

mencoak sebagian dari sayap atas dan bawahnya, sedikit menjauh dari muka kolom, memaksa terjadi sendi

plastis di bagian itu dan menyelamatkan sambungan las dan baut antara balok dan kolom. Ide ini terus

dikembangan dan dikonfirmasi perilakunya melalui uji-uji siklik. Berbagai varian dibuat, mulai dari bentuk

coakan poligon, “dog bone” dari Arbed Histar (Gambar 2d dan 3), sampai bentuk radius yang diterima oleh

AISC 358 – Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic

Applications (Gambar 4), yang kemudian diadopsi dalam bagian ketiga dari Peraturan Baja Indonesia SNI

1729-20xx.

Mengantisipasi penggunaan struktur baja yang kian banyak untuk gedung-gedung tinggi tahan gempa di

Indonesia, dan akan berlakunya Peraturan Baja Indonesia SNI 1729-20xx sebentar lagi, makalah ini ingin

mensosialisasikan ketentuan-ketentuan dan persyaratan-persyaratan dalam perancangan Penampang Balok

Tereduksi (PBT) atau Reduced Beam Section (RBS) yang merupakan salah satu sambungan yang sudah

Struktur

S-74 KoNTekS 6

Universitas Trisakti , Jakarta 1-2 November 2012

terprakualifikasi sebagai sambungan handal untuk rangka penahan momen khusus dan menengah baja

struktural gedung tahan gempa.

Gambar 1. Kegagalan sambungan balok-kolom pada rangka momen baja akibat gempa Northridge.

(a) (b)

(c) (d)

Gambar 2. Kiat-kiat memperkuat sambungan balok-kolom pada rangka momen baja setelah gempa

Northridge,

(a) pelat pengganda, (b) pelat pengaku, (c) pelat samping – sistem MNH dan (d) sistem “dog bone” dari

Arbed.

Struktur

KoNTekS 6 S-75

Universitas Trisakti, Jakarta 1-2 November 2012

Gambar 3. Prototipe Penampang Balok Tereduksi (PBT) dalam berbagai pengujian.

2. PENAMPANG BALOK TEREDUKSI – SNI 1729-20xx

Ketentuan, persyaratan dan prosedur perancangan Penampang Balok Tereduksi (PBT) atau Reduced Beam

Section (RBS), diatur dalam Bab 5 di Bagian Ketiga SNI 1729-20xx, yang terdiri dari 8 pasal.

(a) (b)

Gambar 4. Penampang Balok Tereduksi (PBT) dalam SNI 1729-20xx.

Seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 4a, bagian atas dan bawah sayap balok dicoak sedikit di depan

sambungan balok-kolom. Coakan ini dimaksudkan untuk memperlemah penampang balok sehingga

mengurangi besarnya momen dan deformasi inelastis di muka kolom. Dengan demikian, pelelehan balok

(pembentukan sendi plastis) terjadi di situ dan sambungan balok-kolom dapat terlindungi dari kerusakan.

Sistem sambungan PBT termasuk dalam kategori sambungan terprakualifikasi untuk penggunaannya dalam

sistem Rangka Momen Khusus (RMK) dan Rangka Momen Menengah (RMM) baja untuk bangunan

gedung tahan gempa melalui banyak pengujian, dengan berbagai variasi, oleh para peneliti dari institusi-

institusi di seluruh dunia, terutama di Amerika Serikat dan Jepang.

Struktur

S-76 KoNTekS 6

Universitas Trisakti , Jakarta 1-2 November 2012

3. PERSYARATAN BALOK PBT

Menurut Pasal 5.3 SNI 1729-20xx, berdasarkan rekomendasi Connection Prequalification Review Panel

(CPRP), balok PBT harus memenuhi persyaratan sebagai berikut:

• Balok harus berupa profil WF gilas standar atau profil I tersusun yang ekuivalen yang memenuhi syarat

Pasal 2.3 Bagian Ketiga SNI 1729-20xx, dengan seri tinggi penampang maksimum 920 mm, berat per

satuan panjang maksimum 447 kg/m1 dan tebal sayap maksimum 44 mm.

• Rasio bentang bersih/tinggi penampang balok harus minimum 7 untuk Rangka Momen Khusus dan

minimum 5 untuk Rangka Momen Menengah.

• Rasio lebar/tebal untuk sayap dan badan balok harus memenuhi persyaratan SNI Ketentuan Seismik

untuk Bangunan Gedung Baja Struktural, dengan nilai bf minimum selebar sayap pada ujung-ujung

bagian 2/3 tengah dari penampang tereduksi di mana beban gravitasi tidak menggeser lokasi sendi

plastis secara signifikan dari pusat penampang balok tereduksi.

• Pengekang lateral (lateral bracing) pada balok harus mengacu pada ketentuan SNI Ketentuan Seismik

untuk Bangunan Gedung Baja Struktural. Pengekang lateral tambahan harus ada di dekat penampang

tereduksi memenuhi ketentuan pengekang lateral di dekat sendi plastis pada SNI Ketentuan Seismik

untuk Bangunan Gedung Baja Struktural, yang pengikatannya ke balok harus ditempatkan maksimum

d/2 dari ujung penampang balok tereduksi yang terjauh dari muka kolom, dan tidak boleh berada di

daerah antara muka kolom dan akhir dari penampang tereduksi yang terjauh dari muka kolom. Gambar

5 memperlihatkan penempatan elemen struktur di daerah sendi plastis yang dilarang oleh ketentuan ini.

• Pada zona terlindung (bagian balok mulai dari muka kolom sampai dengan ujung penampang balok

tereduksi yang terjauh dari muka kolom), pengekang lateral tambahan untuk sayap bagian atas dan

bawah balok tidak diperlukan bila terdapat pelat beton struktural yang terhubung dengan balok melalui

shear connector berjarak maksimum 300 mm.

Gambar 5. Penempatan elemen struktur di daerah sendi plastis balok yang dilarang.

4. PERSYARATAN KOLOM

Kolom penopang balok PBT harus memenuhi ketentuan sebagai berikut:

• Kolom harus berupa profil gilas atau penampang tersusun yang memenuhi syarat Pasal 2.3 Bagian

Ketiga SNI 1729-20xx, dengan seri tinggi penampang maksimum 920mm, tanpa pembatasan berat per

satuan panjang dan persyaratan tambahan mengenai ketebalan sayapnya. Dimensi kolom king-cross

tidak boleh melebihi tinggi dan lebar penampang profil gilas. Dimensi kolom boks tersusun atau boks

WF tidak boleh melebihi 610 mm bila merupakan bagian dari rangka momen ortogonal.

• Balok PBT harus tersambung ke sayap kolom.

• Rasio lebar/tebal untuk sayap dan badan kolom harus memenuhi persyaratan SNI Ketentuan Seismik

untuk Bangunan Gedung Baja Struktural.

Struktur

KoNTekS 6 S-77

Universitas Trisakti, Jakarta 1-2 November 2012

• Kebutuhan akan pengekang lateral kolom harus memenuhi persyaratan SNI Ketentuan Seismik untuk

Bangunan Gedung Baja Struktural.

5. PERSYARATAN HUBUNGAN KOLOM-BALOK

Menurut Pasal 5.4 Bagian Ketiga SNI 1729-20xx, sambungan balok ke kolom harus memenuhi persyaratan

sebagai berikut:

• Zona panel harus memenuhi persyaratan SNI Ketentuan Seismik untuk Bangunan Gedung Baja

Struktural.

• Rasio momen kolom-balok harus memenuhi ketentuan sebagai berikut:

a. Pada sistem Rangka Momen Khusus, rasio momen kolom-balok harus memenuhi persyaratan SNI

Ketentuan Seismik untuk Bangunan Gedung Baja Struktural. Nilai ΣM*pb harus diambil sama

dengan Σ(Mpr + Muv), dengan Mpr dihitung menurut Persamaan 5.8-5, dan Muv = momen tambahan

akibat amplifikasi geser dari pusat penampang balok tereduksi ke sumbu kolom. Muv = VRBS (a +

b/2 + dc/2), dengan VRBS = geser pada pusat penampang balok tereduksi.

b. Pada sistem Rangka Momen Menengah, rasio momen kolom-balok harus memenuhi persyaratan

SNI Ketentuan Seismik untuk Bangunan Gedung Baja Struktural.

6. PERSYARATAN LAS SAYAP BALOK KE SAYAP KOLOM

Sambungan sayap balok ke sayap kolom diatur dalam Pasal 5.5 Bagian Ketiga SNI 1729-20xx, harus

memenuhi persyaratan berikut:

• Sayap balok harus dilas ke sayap kolom dengan menggunakan las tumpul penetrasi penuh yang

memenuhi persyaratan las kritis perlu yang disyaratkan dalam SNI Ketentuan Seismik untuk Bangunan

Gedung Baja Struktural.

• Geometri lubang akses las harus mengikuti persyaratan SNI Spesifikasi untuk Bangunan Gedung Baja

Struktural.

7. PERSYARATAN SAMBUNGAN BADAN BALOK KE SAYAP KOLOM

Seperti yang diatur dalam Pasal 5.6 Bagian Ketiga SNI 1729-20xx, sambungan badan balok ke sayap kolom

harus memenuhi persyaratan berikut:

• Kekuatan geser perlu sambungan badan balok harus ditentukan menurut Persamaan 5.8-9.

• Baik pada sistem Rangka Momen Khusus (RMK) maupun pada sistem Rangka Momen Menengah

(RMM), badan balok harus dilas ke sayap kolom menggunakan las tumpul penetrasi penuh mulai dari

lubang akses las atas sampai dengan lubang akses las bawah dengan pelat geser sebagai backing.

Ketebalan pelat geser minimum10 mm. Adanya lubang baut pada badan balok untuk keperluan ereksi

masih diizinkan.

• Namun demikian, untuk RMM, sambungkan badan balok ke sayap kolom boleh berupa sambungan

geser pelat tunggal berbaut yang dirancang sebagai sambungan slip-kritis memenuhi SNI Spesifikasi

untuk Bangunan Gedung Baja Struktural. Kekuatan geser desain sambungan geser pelat tunggal harus

ditentukan berdasarkan pada pelelehan geser penampang bruto dan pada keruntuhan geser penampang

neto. Pelat harus dilas ke sayap kolom dengan las tumpul penetrasi penuh, atau dengan las sudut dua

sisi dengan ukuran minimum 0.75 ketebalan pelat. Lubang-lubang baut berslot pendek (dengan slot

sejajar sayap-sayap balok) diperkenankan pada badan balok atau pada pelat, tetapi tidak pada

keduanya. Pemberian gaya pratarik pada baut boleh dilakukan sebelum atau sesudah pengelasan.

Struktur

S-78 KoNTekS 6

Universitas Trisakti , Jakarta 1-2 November 2012

8. PERSYARATAN PEMOTONGAN SAYAP BALOK PBT

Beberapa ketentuan yang harus diperhatikan dalam pembentukan penampang balok tereduksi, yang diatur

dalam Pasal 5.7 Bagian Ketiga SNI 1729-20xx, adalah sebagai berikut:

• Pemotongan sayap balok PBT harus dilakukan dengan menggunakan pemotongan termal agar

diperoleh lengkungan yang mulus. Kekasaran permukaan hasil pemotongan termal harus maksimum 13

mikron (berdasarkan ANSI B46.1), seperti yang diukur menggunakan AWS C4.1–77 Sampel 4 atau

suatu komparator visual serupa. Untuk memperkecil efek takik akibat transisi yang mendadak, transisi

antara penampang balok tereduksi dan sayap balok yang tidak dimodifikasi harus dibundarkan dalam

arah panjang sayap. Sudut pertemuan antara sisi penampang tereduksi dan bagian atas dan bagian

bawah sayap harus diratakan agar tidak tajam, tetapi pembentukan chamfer atau radius minimum tidak

diperlukan.

• Toleransi pemotongan termal adalah ± 6 mm dari garis pemotongan teoretis dan toleransi lebar sayap

efektif balok pada setiap penampang adalah ± 10 mm.

• Ketidaksempurnaaan dalam pemotongan termal pada permukaan PBT dapat diperbaiki dengan cara

digerinda bila tidak lebih dalam dari 6 mm. Daerah yang tidak sempurna harus digerinda sampai

terbentuk transisi yang mulus, dan panjang total area transisi harus minimal lima kali kedalaman celuk.

Bila terdapat celuk yang tajam, area tersebut harus diperiksa dengan uji partikel magnetik sesudah

proses penggerindaan untuk memastikan bahwa seluruh celuk telah hilang. Penggerindaan yang

mengikis PBT lebih dari 6 mm tidak diperkenankan.

• Celuk yang lebih dalam dari 6 mm, tetapi tidak lebih dari 12 mm, dan perbaikannya melalui proses

penggerindaan yang mengikis PBT melebihi toleransi, dapat diperbaiki dengan pengelasan. Celuk

harus dihilangkan dan diratakan agar menghasilkan suatu radius root minimum 6 mm untuk persiapan

pengelasan. Area perbaikan harus dipanaskan dulu sampai temperatur minimum dengan nilai terbesar

antara 65°C atau seperti yang disyaratkan dalam AWS D1.1/D1.1M, yang diukur pada area perbaikan

las.

• Celuk yang lebih dalam dari 12 mm, hanya boleh diperbaiki dengan suatu metode yang disetujui oleh

ahli struktur penanggung jawab.

9. PROSEDUR PERANCANGAN BALOK PBT

Prosedur perancangan balok PBT yang ditetapkan dalam Pasal 5.8 Bagian Ketiga SNI 1729-20xx terdiri

dari 11 langkah berikut ini:

1) Dimensi penampang balok, kolom dan PBT ditetapkan dengan ketentuan sebagai berikut:

0,5bbf ≤ a ≤ 0,75bbf (1)

0,65d ≤ b ≤ 0,85d (2)

0,1bbf ≤ c ≤ 0,25bbf (3)

dengan

bbf = lebar sayap balok (mm)

a = jarak horizontal dari muka sayap kolom ke awal pemotongan PBT (mm)

b = panjang pemotongan PBT (mm)

c = kedalaman pemotongan pada pusat penampang balok tereduksi (mm)

d = tinggi penampang balok (mm)

Lakukan pemeriksaan bahwa balok dan kolom memenuhi syarat kekuatan untuk semua kombinasi

pembebanan dan simpangan antar tingkat rangka memenuhi persyaratan peraturan bangunan yang

berlaku. Untuk memperhitungkan efek reduksi sayap balok sampai dengan 50%, simpangan elastis

efektif boleh dihitung dengan mengalikan simpangan elastis berdasarkan penampang balok bruto

dengan nilai 1.1. Diperbolehkan untuk melakukan interpolasi linier untuk nilai reduksi yang lebih kecil

dari reduksi lebar balok.

Struktur

KoNTekS 6 S-79

Universitas Trisakti, Jakarta 1-2 November 2012

2) Modulus penampang plastis pada pusat penampang balok tereduksi dihitung menurut formula:

ZRBS = Zx − 2ctbf (d − tbf) (4)

dengan

ZRBS = modulus penampang plastis pada pusat penampang balok tereduksi (mm3)

Zx = modulus penampang plastis terhadap sumbu-x, untuk penampang balok penuh (mm3)

tbf = ketebalan sayap balok (mm)

3) Momen maksimum yang mungkin terjadi, Mpr pada pusat penampang balok tereduksi dihitung dengan

Mpr = CprRyFyZRBS (5)

4) Gaya geser pada pusat penampang balok tereduksi di setiap ujung balok dihitung melalui diagram free

body dari bagian balok antara pusat penampang balok tereduksi. Diasumsikan momen pada pusat setiap

penampang balok tereduksi adalah Mpr dan termasuk beban gravitasi yang bekerja pada balok

berdasarkan kombinasi beban 1,2D + f1L + 0,2S, dimana f1 adalah faktor beban ditentukan oleh

peraturan bangunan gedung yang berlaku untuk beban hidup, minimum 0,5.

5) Momen maksimum yang mungkin terjadi pada muka kolom dihitung dari diagram free body segmen

balok antara pusat penampang balok tereduksi dan muka kolom.

Mf = Mpr + VRBSSh (6)

dengan

Mf = momen maksimum yang mungkin terjadi pada muka kolom (N-mm)

Sh = jarak dari muka kolom ke sendi plastis (mm)

VRBS = terbesar dari dua nilai gaya geser pada pusat penampang balok tereduksi pada setiap ujung

balok (N)

6) Momen plastis balok berdasarkan tegangan leleh ekspektasi dihitung dengan

Mpe = RyFyZx (7)

7) Kekuatan lentur balok pada muka kolom harus memenuhi

Mf ≤ dφ Mpe (8)

8) Kekuatan geser yang disyaratkan dari balok dan sambungan badan balok-ke-kolom:

Vu = 2 Mpr / Lh + Vgravitasi (9)

dengan

Vu = kekuatan geser perlu dari balok dan sambungan badan balok-ke-kolom (N)

Lh = jarak antara lokasi sendi plastis (mm)

Vgravitasi = gaya geser balok yang dihasilkan dari 1,2D + f1L + 0,2S (dimana f1 adalah faktor beban

ditentukan oleh peraturan bangunan gedung yang berlaku untuk beban-beban hidup,

minimum 0,5) (N)

Kekuatan geser desain dari balok harus memenuhi Bab G SNI Spesifikasi untuk Bangunan Gedung

Baja Struktural.

9) Desain sambungan badan balok-ke-kolom harus memenuhi Pasal 5.6.

10) Kebutuhan akan pelat penerus bilamana diperlukan harus diperiksa.

11) Hubungan kolom-balok harus memenuhi Pasal 5.4.

Struktur

S-80 KoNTekS 6

Universitas Trisakti , Jakarta 1-2 November 2012

10. KESIMPULAN

Dari pemaparan di atas, dapat disimpulkan bahwa:

1. PBT menjamin terjadinya mekanisme “strong column – weak beam” pada rangka momen struktur

baja dengan memperlemah bagian balok diluar sambungan.

2. PBT menjamin keamanan pada sambungan momen balok-kolom.

3. PBT mensyaratkan pendetailan khusus yang harus diikuti untuk menjamin kehandalannya.

DAFTAR PUSTAKA

ANSI/AISC 358-10/358s1-11. Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment

Frames for Seismic Applications, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.

Bonowitz, D., Youssef, N. (1995). “Steel Moment Resisting Frames After Northridge – Statistics on

Northridge damage point to the need for probabilistic approaches to evaluation and design”. Modern

Steel Construction, May, hal. 46 – 55.

Englehardt, M. D., Sabol, T. A., Aboutaha, R. S. Frank, K. H. (1995). “Testing Connections – An overview

of the AISC Northridge Moment Connection Test Program”. Modern Steel Construction, May, hal. 36

– 44.

Iwankiw, N. R., Carter, C. J. (1996). “The Dogbone: A New Idea to Chew On”. Modern Steel Construction,

April, hal. 18 – 23.

Nelson, R. F. (1996). “Proprietary Solution – One remedy for special moment-resisting frame problems in

the use of a system developed by MNH-SMRF”. Modern Steel Construction, January, hal. 40 – 44.

Sabol, T. A. (1994). “Steel Damage in LA: What Went Wrong – Case studies on localized steel problems in

buildings affected by the Northridge Earthquake”. Modern Steel Construction, June, hal. 18 – 24.

SNI 1729-20xx (3). Sambungan Terprakualifikasi untuk Rangka Momen Baja Khusus dan Menengah

dalam Aplikasi Seismik, Badan Standarisasi National, Jakarta.

Sutjipto, Suradjin. (2001). Design Concepts of Steel Structures. Simposium Asosiasi Masyarakat Baja

Indonesia.

Sutjipto, Suradjin. (2012). Peraturan Baja Struktural Indonesia untuk Gedung SNI 1729-20xx. Seminar

Himpunan Ahli Konstruksi Indonesia.

Zekioglu, A., Mozaffarian, H., Chang, K. L., Uang, C. M., Noel, S. (1997). “Designing After Northridge”.

Modern Steel Construction, March, hal. 36 – 42.