ANALISIS BAUT MUTU TINGGI SERTA APLIKASINYA PADA HUBUNGAN BALOK-KOLOM

Sanci Barus1dan Robert Panjaitan 2

Staf Pengajar Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik USU

Abstrak : Alat Sambung Baut Mutu Tinggi (High Tensile Bolt) bila diberi tarikan ( Pretension ) akan memberikan kontribusi Tahanan Gesek antara elemen elemen yang disambung. Kapasitas daya dukung sambungan akan bertambah akibat tarikan awal (Pretension) pada alat sambung baut mutu tinggi tersebut. Kata Kunci : Baut Mutu Tinggi, Tarikan Awal, Tahanan Gesek Abstract: Continued Appliance of High Tensile Bolt if given the attraction (Pretension) will give the Prisoner contribution Fiddle between continued element element. Energy capacities support the extension will increase the effect of Pretension at continued appliance of high tensile bolt Keyword : High Tensile Bolt, Initial Pretension, Shear Tension Pendahuluan Latar belakang Alat Sambung baut mutu tinggi ( High Tensile Bolt) berkekuatan leleh minimal 372 MPa ( 3.720 Kg/Cm2) mampu mengatasi Glincir ( Slip ) antara dua elemen baja yang disambung pada struktur rangka batang memikul gaya aksial menurut Bathoano dan Bateman pada tahun 1934. Menurut Wilson dan Thomas melalui percobannya, baut HTB bila diletakkan pada lobang yang lebih besar diameternya mempunyai kekuatan leleh (Fatique) yang sama dengan Paku Keling ( Rivet ) dengan memberi tarikan awal (Pretension) yang memadai. Berbagai percobaan dilakukan oleh banyak pakar struktur Baja sejak ratusan tahun silam. Misalnya W.H. Munse membuat ringkasan tentang prilaku (Behavior) Baut Mutu Tinggi (High Tensile Bolt) harus diberi tegangan awal relative lebih besar dalam batas praktis dengan menggunakan prosedur putaran Mur.

A-325 paling banyak dipergunakan pada penyambungan struktur. Kekuatan (Strength) alat sambung baut mutu tinggi ditentukan oleh, -Dimensinya -Type Bautnya -Kekuatan leleh (Tensile Strength) -Panjang Ulir didalam elemen pelat -Putaran untuk tarik awal dalam ukuran lobang standart .dalam hal ini John W.Fhiser dan John H.A.Struik menampilkan hubungan kekuatan baut mutu tinggi seperti pada gambar-1 diperlihatkan perbedaan kekuatan A325 bolt dengan A490 bolt Seperti pada gambar-2 dan gambar-3 diperlihatkan pula hubungan kekuatan baut akibat panjang ulir didalam elemen pelat. Semakin pendek ulir yang berada didalam pelat semakin kecil tegangan yang terjadi. Sedangkan pada gambar-4 John W.Fhiser menggambarkan kekuatan baut akibat pengencangan kunci moment 1/2 kali putaran, dan 2/3 kali putaran dari titik eratnya A325 bolt.

Grafik 3 : Hubungan Gaya pikul (kip) vs Perpanjangan (mm) akibat panjang ulir dalam elemen pelat yang disambung.

Gambar 2 : Grafik Hubungan Tegangan vs Perpanjangan pengaruh panjang ulir didalam elemen pelat [1]

Gambar 1: Hubungan Tegangan vs Perpanjangan A490 bolt & A325 bolt

Gambar 4: Grafik HubunganTegangan vs Perpanjangan [1] pengaruh putaran kunci Selanjutnya dapat dilihat sperti pada gambar 5 deformasi baut mutu tinggi bersama pelatnya setelah diberi beban tarik. Terlihat perbedaan antara no-slip, partial-slip, dan full-slip seperti pada gambar-5.

Gambar 5 : Deformasi pada sambungan noslip, partial slip, dan full slip Sambungan. Sambungan gunanya untuk memindahkan gaya dari satu elemen ke-elemen lainnya. Sambungan harus mampu memikul gaya yang dipindahkannya beserta gaya sekundair yang ditimbulkannya. Alat sambung memindahkan gaya melalui elemen penyambung serta meneruskannya ke-elemen lain.

Sambungan memikul Momen, Gaya Lintang, Gaya Normal, dan Momen Puntir yang menjadi prilaku geser, desak, dan aksial tarik pada alat penyambung baut. Macam sambungan. - Sambungan pada hubungan buhul pertemuan batang batang memikul gaya aksial tarik dan tekan. -Sambungan pada hubungan Balok Kolom memikul Gaya Momen, Gaya Lintang, dan Normal. Antara lain: -Sambungan Sendi (simple Connected) -Sambungan Semi Kaku (Semi Rigid) -Sambungan Kaku (Rigid) Sambungan Sendi (Simple Connected) Sambungan tidak mampu memikul momen dan bebas berotasi diantara kedua elemen yang disambung. Sambungan Semi Kaku (Semi Rigid) Sambungan mampu memikul sebagian momen. Dan sambungan tidak mampu mempertahankan sudut diantara elemen baja yang disambung. Sambungan Kaku (Rigid Connected) Sambungan yang dianggap mampu mempertahankan sudut diantara elemen baja yang disambung. Alat sambung Baut mutu tinggi (HTB) Sambungan tipe Tumpu Alat sambung baut yang dikencangkan dengan tangan atau baut mutu tinggi yang dikencangkan dengan kunci momen dan yang menimbulkan gaya tarik minimum yang diisyratkan. Sambungan tipe Geser Sambungan yang khusus menggunakan alat sambung baut mutu tinggi (HTB) yang dikencangkan dari titik erat sehingga menimbulkan gaya gesek terjadi diantara jepitan elemen elemen yang disambung sebesar minTµ , tergantung dari harga koefisien gesek µ dan gaya tarik minimum T yang diijinkan Harga µ menurut PBBI Gedung.

Keadaan Permukaan µ Bersih 0.35 Digalvanis 0.16 – 0.26 Dicat 0.07 – 0.10 Berkarat bersih 0.45 – 0.70 Sand-blasted 0.40 – 0.70 Permasalahan Pada Sambungan Balok Kolom ( Beam-Coulomn) dengan menggunakan alat sambung baut mutu tinggi akan menambah kapasitas daya dukung sambungan itu bukan saja karena kekuatan bautnya tapi juga karena pengaruh tarik minum dengan cara pemutaran mur oleh kunci moment yang ditentukan oleh standar dari bautnya. Pengaruh Pratarik ini menyembabkan terjadinya gesekan antara dua elemen pelat yang disambung. Gaya gesek ini rata rata kurang lebih sebesar 34 % kali gaya tarik minimum menurut hasil pnelitian John W.Fisher atau menurut table PPBBI yang pula sebesar 70% dari kekuatan tarik bautnya. Pada sambungan balok kolom, alat sambung baut yang menyatukan pelat penyambung dengan sayap kolom. melulu menerima gaya tarik akibat momen luar, gaya geser/desak oleh gaya lintang. Untuk baut mutu biasa yang tidak mampu memikul pratarik atau baut mutu tinggi yang tidak diberi pratarik (Pretension) dimodelkan menjadi suatu tampang Kontiniu atau di transformasi dari model dicrete menjadi model kontiniu dengan cara mengkonversi luasan baut dan luasan pelat masing masing menerima tarik pada daerah atas dan menerima tekan pada daerah bawah garis netral tampang T terbalik. Baut mutu tinggi tidak lagi seperti pemodelan baut mutu biasa akibat baut sudah duluan mengalami tarik minimum (Pratarik). Artinya semua baut

mengalami tarik dan semua bidang kontak mengalami tekan. Ketika beban luar bekerja (Momen Luar), garis netral

berada ditengah tengah kumpulan alat sambung.

Gambar-6:Pemodelan sambungan baut tidak diberi pratarik & dgn pratarik. Dimana dapat dihitung besarnya luasan pengganti baut.

PenyambungPlatLebarbs

da

..

4/12

2

=

= π

Dihitung letak pusat beratnya untuk selanjutnya dapat dihitung Inertia tampang luasan pengganti dan diperoleh tegangan pada serat paling atas.

( )

( )

aM

xa

x

W

Mf

xh

IW

xhabxI

ab

hx

xhabx

2

31

31

1

21

21

33

22

=

−=

−+=

+=

−=

bD An

Df

.=

0.1

,

5.1

22

22

≤

+

+=

−−

s

D

t

a

Dai

f

f

f

f

Atau

fff

Dapat pula dihitung tegangan tarik baut paling atas yang merupakan baut paling besar menerima gaya tarik. Dibandingkan dengan prilaku sambungan mempergunakan alat sambung baut mutu tinggi diberi pra tarik, kita tidak lagi memodelkan tampang luasan pengganti karena seluruh baut sudah duluan diberi gaya pratarik (Pretension) sebesar T. akibat pemberian gaya awal itu maka seluruh baut mengalami tarikan dan semua pelat mengalami gaya tekan. Selanjutnya bekerja momen luar yang menimbulkan tegangan pada pelat dan baut,

2

3

612

1

bh

M

W

Mff

bhI

xba

x

===

=………………..2

Sedangkan tegangan awal akibat pratarik sebesar,

bh

Tf N

min∑= …………………………3

Tegangan terjadi akibat gaya luar,

bD

a

NMa

An

Df

bh

nT

bh

Mf

fff

.

6 min2

=

−=

−=

…………………..4

Akibat pengencangan baut HTB, berpengaruh pula terhadap perlawanan

gesek sebesar b

TS An

Tf

.minµ

= …………..5

TSDs fff −= ………………………..6 Maka dapat dihitung tegangan idiel untuk baut paling atas,

0.1

,

5.1

22

22

≤

+

+=

−−

s

s

t

a

sai

f

f

f

f

Atau

fff

………………..7

dimana 50.1≅−

−

s

t

f

f

bila n adalah jumlah baut dalam sebaris. Jadi prilaku baut mutu tinggi berbeda dengan prilaku baut mutu biasa yang tidak diperkenankan memikul pratarik. Demikian pula bila bekerja gaya lintang yang menyebabkan geser atau tumpu pada baut. Akibat penguncian atau pemberian pratarik bekerja gaya perlawanan geser sebesar minTµ yang akan memberikan factor keamanan yang lebih besar dibanding prilaku baut mutu biasa. Analisis prilaku pelat penyambung Untuk mengetahui prilaku pada pelat penyambung, dianggap pelat sayap kolom sangat kaku (fixed) sehingga tidak terjadi deformasi pada badan dan sayap disepanjang daerah sambungan. Untuk itu biasanya badan dan sayap kolom diperkaku dengan stiffner dari pelat-pelat. Akibat dari pada terjadinya tegangan tarik pada daerah sambungan sebelah atas garis netral akan menimbulkan gaya tarik pada penyambung pelat dan pula timbulnya gaya ungkit (praying force) pada daerah tepi pelat yang arahnya sejajar dengan gaya tarik P. akibat terjadinya gaya ungkit menambah besarnya perlawanan tarik pada baut. Dalam masalah praying force sangat banyak teori teori pendekatan menghitung besarnya gaya ungkit terjadi secara elastis maupun secara kekuatan batas.

Dalam kajian ini justru dianalisis dengan model matematik sederhana yang dibantu metode kekakuan. Baut diasumsikan sebagai spring konstan.

Gambar 7 : Deformasi Pelat Penyambung akibat gaya tarik P Persamaan Diffrensial pada pelat yang dimodelkan sebagai pelat kantilever dengan anggapan perletakan jepit pada baut yang sekaligus dianggap bisa terdeformasi.

( ) 1............................." qxTCxEIy −+−= lalu diintegralkan menjadi,

( )

( ) 3......6

1

6

1

2.............21

21

33

22'

BAxqxTCxEIy

AqxTCxEIy

++−+−=

+−+−=

pada ( )

( ) 00.0' =+=

xy

qgx dimasukkan kedalam

persamaan 2, menjadi,

( )

( ) 5..........................2

1

2

1

02

1

2

1

22

22

gqgCA

AqxTCx

−+=

=+−+−

Selanjutnya pada ( ) 00.00 =y

Dapat dihitung B = 0………………….6 Dengan mensubtitusikan pers 5 dan 6, diperoleh persamaan baru yaitu,

( ) ( ) xgxqgCqxTCxEIy 2233

2

1

2

1

6

1

6

1 −++−+−=

di by

qx

δ==

diperoleh gaya ungkit sebesar

2

2

322

/2

+

−=

gq

gq

qgEIPC bδ

…………..7

dimana T = P + C bila : Gaya tarik baut sama dengan luas baut dikali dengan modulus elastisitas baut dibagi panjang baut pada flens dikali dengan perpanjangan baut (bδ ) atau,

( )8.....................................

.

.

bb

bbb

bb

bbbaut

EA

FTL

L

EAFT

−=

=−

δ

δ

Pers 8 disubsitusikan ke pers 7

( )( ) ( )

9............../67.0/2

.12

e

bee

kgqgq

FkkPC

+++−

=

bila,

bb

ppppe EAgq

LtSEk

2

3

.6

.=

dimana,

=pE Modulus elastisitas pelat

=bE Modulus elastisitas baut

=pt Tebal Pelat penyambung

=pS Jarak antara baut

=pL Panjang baut

=bA Luas tampang baut

=bF Gaya tarik pikul baut −

=bf Tegangan izin baut −

=pf Tegangan izin pelat

=µ Koefisien gesek

=C Gaya ungkit (Prying force)

=minT Gaya tarik baut minimum

Selanjutnya kita dapat mengontrole pelat penyambung dengan pengaruh gaya ungkit. Juga kita dapat mengetahui kekuatan baut paling atas pada daerah tarik dimana T = P + C Pembahasan Suatu sambungan balok kolom memikul momen dan gaya lintang yang diperoleh dari perhitungan portal baja memikul beban mati dan beban hidup dengan metode ASD (elastis) Apabila sambungan dianggap rigid dihitung kapasitas sambungan dengan menggunakan baut mutu tinggi (HTB) A325 memasang dengan kunci momen yang memberikan gaya tarik minimum sebesar 227 kN. Sedangkan tegangan rencana A325 sebesar 310 Mpa dan kekuatan pelatnya sebesar 160 Mpa. Jumlah baut 2x 5 buah dengan jarak jarak 100 mm, diameter baut 20 mm. Jarak ketepi 50 mm. pelat berukuran 500x250x30mm Data Input :

100

250

500

===

S

b

h

100

150

35

==

=

q

g

L p

30.0

.27

20

.160

.310

min

=====

=

µkNT

d

Mpaf

Mpaf

EE

baut

Pelat

baut

bp

Hubungan balok dengan pelat menggunakan sambungan las yang dalam kajian ini tidak dihitung. Alat sambung baut mutu tinggi, garis netral berada ditengah tengah kumpulan baut yang sudah duluan diberi gaya pratarik (Pretension) sehingga seluruh bidang kontak mengalami tekanan.

( )MpaMM

bh

Mf a .96,0

500.250

10.662

6

2===

( ) MpaAn

Tf

bN 6,8

10014.3.10

10.27

.

3min ===

DD

An

Df

bD .318.0

10.14.3

10.

. 3

3

===

9.213140

)10.227(3.0

.

3min ===

bTS An

Tf

µ

TSDS fff −=

( ) 22 5.1 SNai ffff +−= izinf≤

( ) ( ) 3109,21.318.06,8096.0 22 ≤−+− DM Dari persamaan ini didapat hubungan antara Momen Pikul dan Gaya Lintang pikul. Kalau diketahui hubungan Momen dengan Gaya lintang dalamperhitungan

analisa struktur maka didapat kekuatan momen pikul dari sambungan. Gaya P paling maksimum terjadi pada daerah baut paling atas sebesar,

ib fAP .=

Dengan mengetahui Momen terjadi dan Gaya lintang terjadi dapat dihitung tegangan terjadi. Bila ditentukan M=150 kN.m, dan D=100 kN Maka dapat dihitung

32

144

==

D

a

f

f

1.109.2132

9.21

=−==

S

TS

f

f

6.8=Nf

Sehingga diperoleh

( ) ( ) 1361,105.16.8144 22 =+−=if

NP .704.42)136.(314 == Dari persamaan 9) selanjutnya dihitung gaya ungkit (Prying Force)

( )( ) ( ) e

bee

kgqgq

FkkPC

+++−

=2/67.0/2

.1

dimana ek dihitung pula dengan rumus,

019.0314.150.100.6

30.30.100

.6

.2

3

2

3

===bb

ppppe

EAgq

LtSEk

67.0150

100==g

q

b

b

FPC

FPC

0115.0593.0

019.03.0334.1

019.0981.0

+=

+++

=

Karena pengaruh gaya ungkit, maka bertambah pula gaya yang dipikul oleh baut,

minTPCT −+=

NfAF

TFPT

izinbb

b

.340.97)310(314.

0115,0593,1 min

===

−+=

NT .146.42000.27146.69 =−=

Kontrole kekuatan Pelat Penyambung Untuk merencanakan atau mengkontrole kekuatan pelat penyambung dihitung selebar jarak antar baut pS =100 mm

dengan tebal pt = 30 mm.

pPPl StW 2

6

1=

ppp tSA .=

Sehingga dapat dikontrole kekuatan pelatnya sebesar

22 5.1 DMp fff +=−

≤ pf

dimana,

250 Pelat t =30 100

ppD

pp

ib

plM

tS

Tf

St

gfA

W

Mf

.

.

..62

=

==

160..428)14(5.1427

1430.100

146.42

.

42710030

)150)(704.42(6

22

2

⟩=+=

===

===

Mpaf

tS

Tf

W

Mf

i

ppD

plM

Kesimpulan 1.Bahwa penggunan baut mutu tinggi sebagai alat sambung pada hubungan balok kolom sangat signifikan perbedaannya dengan menggunakan alat sambung baut mutu biasa. Baut mutu tinggi A-325 d = 20 mm NT .146.42=

Mpaf i .136=

Baut m.biasa Mpaf izin .160= ,d = 20mm

NT .950.100= Mpaf i .5,321= melampaui kekuatan

izinnya.

Daftar Pustaka John W. Fisher John H.A.Struik. Guide

To Design Criteria for Bolted and Riveted Joints, John Wiley & Sons, New York

PPBBI, Peraturan Perencanaan Bangunan Baja Indonesia, Yayasan Lembaga Penyelidikan Masalah Bangunan Bandung

AISC, American Institute Steel Construction, Manual of Steel Construction, eighth edition, Icc.400 North Michigan Avenue Chicago, Illinois 60611

Charles G. Salmon, Jhon E.Jonson, Steel Structures, Design and Behavior,

2nd edition, Harper & Row, Publishers,Inc

Holmes M, Martin L.H, Analysis And Design Of Structur Connections Reinforced Concrete and Steel John Wiley & Sons, New York