Konferensi Nasional Teknik Sipil 11 Universitas Tarumanagara, 26-27 Oktober 2017

SK-91

EVALUASI POSISI JARAK BUKAAN BALOK KASTELA

TERHADAP DAKTILITAS

Nini Hasriyani Aswad

1, Herman Parung

2, Rita Irmawaty

3 dan A. Arwin Amiruddin

4

1Mahasiswa program doktor teknik sipil, Universitas Hasanudin Jl,Poros malino km.6 Kampus Teknik Gowa,

Sulawesi Selatan

Email niniaswad@gmail.com 2Dosen jurusan teknik sipil, Universitas Hasanudin Jl,Poros malino km.6. Kampus Teknik Gowa, Sulawesi Selatan

Email parungherman@ yahoo.co,id 3Dosen jurusan teknik sipil, Universitas Hasanudin Jl,Poros malino km.6. Kampus Teknik Gowa, Sulawesi Selatan

Email rita_irmawaty@yahoo.co,id 4Dosen jurusan teknik sipil, Universitas Hasanudin Jl,Poros malino km.6 . Kampus Teknik Gowa, Sulawesi Selatan

Email a.arwinamiruddin@ yahoo.co,id

ABSTRAK

Tulisan ini menjelaskan tentang elemen struktur balok kastella dengan posisi jarak bukaan kastella

adalah 15 cm dari muka kolom dengan diberi beban siklik. Ekperimen yang dilakukan ini, bertujuan

untuk mengevaluasi letak bukaan balok kastella dari muka kolom. Jarak bukaan ini akan

menjelaskan pengaruh terhadap sambungan balok kolom sehingga penempatan bukaan apakah dapat

memperkuat koneksi pada sambungan. Metodologi pengujian adalah sambungan ekterior balok

kastella – kolom yang dibebani dengan beban siklik secara bertahap sampai kolaps. Hasil studi

ekperimental yang diperoleh balok uji kastella dengan jarak bukaan 15 cm dari muka kolom dapat

menahan beban sebesar 12,5 kN dengan besar lendutan 100 mm dan mengalami deformasi dengan

nilai daktilitas struktur 4,1 dan kekakuan struktur nilainya 0,18 kN/mm. Prilaku ini menunjukkan

bahwa balok kastela dengan bukaan 15 cm dari muka kolom cukup mampu berdeformasi menahan

beban siklik.

Kata kunci : Jarak bukaan, balok kastela, siklik.

1. PENDAHULUAN

Desain gempa menjadi sangat penting untuk ketahanan momen baja, struktur-struktur untuk tetap elastis selama

terjadi gempa skala kecil hingga menengah. Beberapa gempa bumi yang telah terjadi, pada gempa Northridge

tahun 1994 retakan-retakan yang telah ditemukan pada koneksi-koneksi rangka tergoncang selama terjadi gempa

bumi, beberapa retakan seringkali dimulai pada flens las bawah dan tersebar ke flens kolom dan jaring balok. Miller

melaporkan bahwa satu jenis retak diamati pada gempa Northridge dimulai pada titik bagian antar sesi antara las

pada lubang dan balok dibawah flens. Beberapa eksperimen dan analitis telah dilakukan untuk menggambarkan

kinerja koneksi.

Kebanyakan struktur bangunan dengan material baja memakai profil baja solid. Era sekarang penggunaan balok baja

kastella semakin banyak digunakan, sehingga diperlunya kajian struktur meningkatkan kekuatan suatu elemen baja

tanpa peningkatan berat sendiri baja sehingga diperoleh beberapa metode baru yaitu balok kastela dengan bukaan

badan badan dengan jarak tertentu dari muka kolom. Selanjutnya, akan di kaji dibandingkan dengan balok baja

solid, balok baja kastela dapat meningkatkan kapasitas geser, kekakuan lentur vertikal dan kapasitas struktur

sehingga lebih menguntungkan dibanding dengan profil baja solid. Hal ini didukung oleh hasil penelitian Jap Tji

Beng dan Amelia K.N tahun 1998 yang melakukan perbandingan kekuatan balok IWF solid dengan IWF kastella

untuk struktur rangka gable.

Profil baja solid yang dapat diubah menjadi profil baja kastella adalah profil baja I, H, atau U dengan lubang

berbentuk segi enam (hexagonal), segi delapan (octogonal), dan lingkaran (circular) (Johann Grűnbauer, 2001).

Balok baja kastella dianalogikan sebagai Vierendeel truss yang dihasilkan dengan cara menambah tinggi balok (H)

menjadi lebih tinggi (Hc). (Jihad Dokali Megharief, 1997).

Profil baja kastella mempunyai beberapa kelebihan, diantaranya adalah (Jihad Dokali Megharief, 1997 dan Johann

Grűnbauer, 2001 ) : mempunyai momen inersia dan modulus penampang yang lebih besar sehingga lebih kuat dan

kaku, bahannya ringan dan cocok untuk bentangan panjang. Di samping kelebihan, profil baja kastella juga

mempunyai beberapa kelemahan (Johann Grűnbauer, 2001) yaitu tidak tahan api dan tidak kuat menerima gaya

lateral.

SK-92

Herman Parung, 2013 telah melakukan penelitian dengan variasi sudut dan panjang bukaan dengan tinggi bukaan

0,6 H yang diberi pembebanan monotonik. Profil baja solid yang dipabrikasi menjadi balok kastella adalah IWF 200

100 5.5 8. Hasil penelitiannya menunjukkan sudut bukaan 600 dan panjang bukaan e = 3b = 9 cm memberikan hasil

yang terbaik dari sudut dan panjang bukaan untuk bukaan segi enam (hexagonal).

Hasil-hasil penelitian di atas hampir semuanya terfokus pada bentuk bukaan, yang berdasar pengalaman di lapangan

pada umumnya terjadi konsentrasi tegangan pada bagian sudut sehingga sering menimbulkan crack di daerah

tersebut. Pengaturan jarak bukaan badan diharapkan dapat menghindarkan kerusakan atau crack tersebut.

Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan oleh Wakchaure M. R., Sagade A. V., Auti V. (2012) pada balok baja

kastela dengan variasi kedalaman dari bukaan badan yaitu 0,4 H, 0,5 H dan 0,6 H dengan pembebanan monotonik.

Dari hasil penelitian diperoleh kesimpulan, bahwa ketiga balok uji mempunyai kemampuan yang lebih kecil

dibanding balok solidnya, tetapi balok baja kastela berperilaku baik untuk beban layan sampai dengan kedalaman

bukaan atau penambahan tinggi balok maksimum sebesar 0,6 H. Dan inilah tinggi bukaan yang memberikan tinggi

maksimum dari balok kastella yang boleh dipabrikasi.

Tulisan ini akan menganalisis jarak bukaan balok kastela dari muka kolom yang bertujuan untuk mendapatkan

prilaku balok kastela terhadap konektor di kolom.

2. MAKSUD DAN TUJUAN

Maksud penelitian ini adalah dapat mengetahui kekuatan dan deformasi struktur dengan jarak bukaan 15 cm pada

balok kastella dari muka kolom. Dengan metode penelitian sambungan eksterior kolom-balok kastella dan akan diuji

dengan beban siklik.

Tujuan yang diharapkan dari penelitian ini adalah untuk memperoleh analisa dan prilaku balok kastella dengan

jarak bukaan dari muka kolom, serta menyelidiki kinerja balok kastella apakah pengaruh bukaan dapat

memberikan perkuatan pada kolom, dan menganalisis hasil eksperimen tentang beban dan lendutan, kekuatan dan

daktilitas struktur yang dapat mengkonfirmasi kekuatan balok kastella - kolom.

3. RUANG LINGKUP KAJIAN DAN BATASAN MASALAH

Kajian ini adalah dengan menggunakan balok kastela dengan model sambungan eksterior. Studi eksperimen akan

menghasilkan data struktur dari hasil uji eksperimental struktur tiang (kolom) di jepit dengan balok dianggap kaku

di pertemuan, menciptakan prilaku kolom kuat balok lemah. Desain balok kastela yang digunakan secara detail

menggukanan standar yang sudah dipabrikasi seperti pada Gambar 1. Jarak bukaan pada balok kastella Gambar 2.

Analisa ini dilakukan studi eksperimen dan menghasilkan analisis terhadap lendutan, beberapa gaya akibat beban

siklik yang diberikan.

Prinsip dasar metode pengujian adalah dengan beban siklik dan dibatasi perletakan sendi-sendi dengan nilai momen

sama dengan nol, seperti pada Gambar 5.

Beberapa kajian pada tulisan ini adalah sebagai berikut : hanya dibatasi oleh kajian balok tidak sampai pada kolom.

Parameter yang akan diidentifikasi adalah lendutan, beban serta jenis kerusakan pada balok hanya pada sambungan

eksterior serta meneliti kondisi balok kastela.

4. MATERIAL PENGUJIAN

Material propertis yang digunakan pada uji perilaku siklik adalah pada Table .1 adalah kolom tipe H 25 x 25 dan

balok tipe IWF solid 150 x75 dan diubah menjadi balok kastela 225 x75. Dan balok baja kastela yang dipakai adalah

standar Gambar 1. Material kolom dan balok yang digunakan dengan asumsi kompak yang berarti sangat mampu

berdeformasi sampai pada batas plastisnya. Balok diuji dengan ukuran bukaan balok kastella adalah 15 cm

SK-93

Tabel. 1. Propertis balok uji

Model

Member

Size

Grade (Indonesian standard)

Tegangan Baja

Yield Stress

(N/mm2)

Ultimate Stress

(N/mm2)

WRBSC Castellated

Column

W225 75 5 7

H250x250

BJ 37 SNI 03-1729-2002

BJ 41 SNI 03-1729-2002

BJ 41 SNI 03-1729-2002

A572 Gr 50

366.17

410.11

433.76

487.36

Gambar 1. Standar balok kastela

Detail dimensi yang digunakan pada balok uji perilaku siklik adalah pada Gambar 2 adalah tipe balok tipe IWF

solid 150 x75 mm dan diubah menjadi balok kastela 225 x75 mm dengan jarak 15 cm dari muka kolom. Dan balok

baja kastela yang dipakai adalah standar pada Gambar 1. Material balok yang digunakan dengan asumsi kompak

yang berarti sangat mampu berdeformasi sampai pada batas plastisnya. Balok diuji dengan ukuran bukaan balok

kastella adalah 15 cm dari muka kolom dan tersaji pada Gambar 2.

Gambar 2. Letak jarak bukaan balok uji (kastella) dari muka kolom

Daktilitas

Kemampuan suatu struktur atau komponen struktur untuk tidak mengalami keruntuhan secara tiba-tiba (getas) tapi

masih mampu mengalami deformasi yang cukup besar pada saat beban maksimum tercapai sebelum struktur

tersebut mengalami keruntuhan (Park dan Paulay, 1975). Faktor daktilitas struktur adalah rasio antara

simpangan/regangan maksimum struktur akibat pengaruh gempa rencana pada saat mencapai kondisi ambang

keruntuhan (u) dan simpangan/regangan pada saat terjadi leleh pertama (y).

SK-94

y

u

........................................................................................ (4)

dengan:

µ : Daktilitas struktur

u : Perpindahan saat beban maksimum (mm)

y : Perpindahan saat leleh pertama kali (mm)

Kekakuan

Kekakuan adalah gaya yang diperlukan untuk memperoleh satu unit displacement. Nilai kekakuan dihasilkan dari

sudut kemiringan dari hubungan beban dan lendutan. Makin kaku suatu struktur makin besar nilai kekakuannya.

Kekakuan dapat dinyatakan dalam persamaan berikut:

P

k ........................................................................................ (5)

dengan :

k : Kekakuan (kN/mm)

P : beban (kN)

: lendutan (mm)

Gambar 3. Hubungan beban dan lendutan selama pembebanan

Untuk elemen atau struktur yang menerima beban siklik, menaksir karakteristik kekakuannya dengan menghitung

peak-to-peak stiffness. Kekakuan tersebut ditetapkan sebagai kemiringan garis yang menghubungkan puncak-

puncak beban maksimum (positif dan negatif) dari kurva beban-defleksi seperti pada Gambar 3. Yakni hubungan

antara beban dan lendutan selama proses pembebanan, dengan persamaan berikut :

21

21

PPk ......................................................................... (6)

5. METODOLOGI PENGUJIAN

Desain eksprimental

Penelitian dilakukan untuk mengetahui prilaku balok kastela dengan jarak bukaan yakni pada 15 cm dari muka

kolom. Sambungan terhubung dengan baut extended dan prosedur pengelasan dilakukan dengan sistem yang

dianggap semi kaku pada panel join. Untuk memudahkan percobaan di laboratorium maka dengan asumsi bahwa

gaya lateral sangat dominan bekerja dibandingkan dengan beban grafitasi untuk itu metode pengujian dapat tersaji

dalam Gambar 4.

SK-95

S

S

S

S

S

S

S

S

Pen

del

P-

∆+

∆+

S

Gambar 4. Instrumen pengujian balok kastela – kolom

Gambar 5. Prinsip pengujian balok - kolom eksterior

Setup alat uji siklik

Sebuah kajian untuk mendapatkan data rekaman dari suatu struktur yang mengalami getaran akibat beban siklik

sampai mencapai leleh atau batas plastis, pendungkung yang dibutuhkan untuk memasang kerangka dan balok uji

serta peralatan lainnya yang diperlukan dalam pengujian sebagai berikut :

1 Crane untuk mengangkat dan memasang kerangka pengujian serta balok uji.

2 Strain gauge dipasang pada beberapa tempat pada flan atas dan flans bawah balok.

3 Alat pengukur lendutan LVDT (Linear Variable Displacement Transducer) dengan ketelitian 0,01 .

4 Alat uji pembebanan adalah terdiri dari : Actuator (horizontal jack), untuk memberi beban, Load cell, untuk

mengetahui besar beban yang diberikan olah hyraulic ram. Hydraulic ram, berfungsi sebagai jack pemberi

LVD

T

Beban (P)

Balok uji

P+ S

∆- ∆-

Ko

lom

Balok uji

Strain

gauge

SK-96

beban, Spherical Bearing, untuk menjadikan beban yang diberikan hydraulic ram menjadi terpusat pada satu

titik. Dan data logger dan swithing box, untuk merekam secara serempak dan otomatis data yang diukur oleh

strain gauge, LVDT, dan load cell.

5 Beban siklik diberikan dalam bentuk displacement-controlled pada ujung balok bagian atas, di mana

besarnya deformasi yang diberikan serta jumlah cycle disesuaikan dengan hasil pretest analysis untuk

menentukan yield displacement.

6 Pengambilan data selama pengujian selain data yang terekam pada data logger dan swithing box,

pengambilan data juga dilakukan pengamatan secara visual seperti kerusakan las, penekukan flens,

penekukan badan dan keruntuhan.

7 Dari hasil pengamatan secara visual selama pengujian kita dapat mengetahui jenis kegagalan yang

merupakan penentu kegagalan elemen struktur.

8 Dari data LVDT dapat diketahui riwayat besarnya defleksi yang terjadi selama pengujian.

9 Dari data logger dan swithing box kita dapat mengetahui beban yang diterima oleh balok sebelum runtuh.

Demikian juga diperoleh data regangan yang akan menunjukkan apakah struktur gagal dalam kondisi

elastis atau dalam kondisi plastis.

10 Dari analisis data beban, regangan dan defleksi kita dapat membuat beberapa grafik antara lain : hubungan

beban (gaya) terhadap displesmen.

6. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

Dari hasil uji kerja balok kastela dengan jarak 15 cm dari muka kolom memperoleh hasil yakni pada benda uji

WRBSC adalah 12,5 kN pada displasmen sebesar 100 mm dan sampai pada displasmen sebesar 136,5 mm

memperoleh beban 10,9 kN dan berdeformasi mengalami penurunan kekuatan dan menghasilkan ketahanan

daktilitas struktur rangka baja sebesar 4,1. Ini menunjukkan bahwa prilaku balok dapat menahan beban dengan

daktilitas penuh, strukturnya mampu berdeformasi pasca elastic pada ambang keruntuhan yang terbesar adalah

dengan nilai kekakuannya sebesar 0,18 kN/mm.

Gambar 6. Kurva Histeresis hubungan beban lateral dan displasmen

SK-97

Gambar 7. Kurva Penentuan titik leleh dan lendutan maksimum pada daerah tekan

Gambar 8. Kurva Penentuan titik leleh dan lendutan maksimum pada daerah tarik

Tabel.2 Hasil nilai eksperimen

Nama Benda uji ∆y (mm) Py ∆u (mm) Pu (kN) µ K

WRBSC - 24,63

7,23

-100

12,5

4,1 0,18

Signifikan pada kurva histeresis Gambar 6 menunjukkan struktur dapat menyerap energi gempa, menunjukkan

bahwa struktur dapat pula berdeformasi selama terjadi pembebanan sampai mencapai batas ultimet. Ditunjukkan

pula lebih lanjut pada gambar 5 pola prilaku balok baja pada lendutan 100 mm dibeban puncak dan terus dibebani

sampai pada batas plastisnya, hal ini tergambar memiliki daktilitas 4,1 dan sampai pada daktilitas dengan

mengalami penurunan kekuatan menjadi 10,9 kN dan lendutan bertambah menjadi 136,5 mm.

SK-98

Kegagalan struktur

Pada eksperimen ini menunjukkan bahwa kegagalan terjadi pada flans bagian bawah yang mengalami gaya tarik,

Sedangkan pada flans atas saat mengalami gaya tekan, mengalami beban bolak balik, hal ini ditujukkan pada

Gambar 9, tidak nampak kerusakan di bagian sambungan balok kolom atau pada tempat yang lain, kerusakan hanya

pada daerah balok.

Gambar 9. Kerusakan balok uji akibat beban siklik

Kerusakan benda uji ditunjukkan dengan gambar 9, memperlihatkan bahwa kerusakan terjadi pada balok, dibalok

mengalami lentur murni balok dan flans bagian bawah mengalami lendutan tetap akibat adanya beban siklik (gaya

lateral) yang bekerja.

7. KESIMPULAN

Hasil eksperimen menunjukkan bahwa kerusakan terjadi berada di muka kolom akibat lentur murni balok, dan tidak

menunjukkan kegagalan pada sambungan balok dan kolom.

Hal ini bahwa prilaku yang ditunjukkan oleh balok kastela dengan jarak bukaan 15 cm dari muka kolom cukup kuat

dan dapat berdeformasi sampai pada lendutan 100 mm dan dapat menahan beban sebesar 12,5 kN.

Terus dibebani dan mengalami penurunan kekuatan sebesar 12,8 %, dengan nilai lendutan mencapai 136,5 mm

dengan beban sebesar 10,9 kN diperoleh. Daktilitas pada struktur mencapai 4,1 struktur balok kastella ini

mempunyai kemampuan diberi beban siklik.

DAFTAR PUSTAKA

American Institute of steel construction. (2010). Specification for steel building (Aisc 360-10). AISC,Inc

chicago,IL.

American Society of Civil Enggineers. (2010). Minimum desain load for buildings and others Structures (ASCE

7-10). Reston VA.

Badan Standarisasi Nasional (BSN). (2012). Tata Cara Perencanaan Ketahanan Gempa untuk Struktur

Bangunan Gedung dan Non Gedung. SNI 03-1726-2012.

Chung, K.F., Liu, T.C.H. and Ko, A. C. H. (2000). “Investigation on Vierendeel Mechanism in Steel Beams

with Circular Web Opening”. Department of Civil and Structural Engineering, The Hong Kong

Polytechnic University, Hong Kong, Journal of Construction Steel Research, Vol. 57, pp. 467-490.

Herman Parung, dkk. (2013). “Experimental Study on Kastellated Steel Beam Under Monotonic Loading”.

Konferensi Nasional Pasca Sarjana teknik Sipil, ITB, November.

Kohnehpooshi, O. and Showkati, H. (2009). “Numerical Modeling and Structural Behavior of Elastic

Kastellated Section”. Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, European Journal of

Scientific Research, Vol.31, No. 2, pp.306-318.

M.R. Soltani, A. Bouchaïr (2012). “Nonlinear FE analysis of the ultimate behavior of steel kastellated

beams”. Journal of Constructional Steel Research 70, pp. 101–114.

Showkati, H. (2002). “Theoretical and numerical buckling study of CPE kastellated beams”. Final report

of NRCI1437, Iran.

Showkati, H. (2012). “ Analysis and design of kastellated beams using AISC-LRFD”. Fifth International

Conference on Civil Engineering, University of Ferdowsi, Iran.

SK-99

SONCK D., VANLAERE W., and VAN IMPE R. (2010). “Buckling of Cellular Members loaded by an Axial

Force”. Proc. Int. Symp. Of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS), pp.

1464-1471.

SONCK D., VANLAERE W., and VAN IMPE R. (2010). “Elastic Lateral-torsional Buckling of Cellular

Beams”. Proc. Int. Symp. ‘Steel Structures: Culture & Sustainability’, Istanbul, pp. 573-582.

SONCK D., VANLAERE W., and VAN IMPE R. (2011). “Influence of Plasticity on the Lateral-torsional

Buckling Behaviour of Cellular Beams”. Materials Research Innovations, Vol. 16 S1, pp. 158-161.

SWEEDAN A.M.I., EL-SAWY K.M., and MARTINI M.I. (2009). “Identification of the Buckling Capacity of

Axially Loaded Cellular Columns”. Thin-Walled Structures, vol. 47,issue 4, pp. 442-454.

Tadeh Zirakian, Hossein Showkati. (2006). “ Distortional Buckling of Kastellated Beams”. Journal of

Constructional Steel Research 62, pp 863–871.

Zirakian, T. & Showkati, H. (2006). “Distortional buckling of kastellated beams”. J. Construct. Steel Research,

Vol. 62, No. 9, pp. 863-871.

Tonapa, Sandy and Parung H, (2015). “Behavior of castellated beam –columns subjected to monotonik and cyclic

loadings”. pp 147-152.