JURNAL TEKNIK SIPIL USU ANALISA KEKUATAN BALOK BAJA PRATEGANG

(PRESTRESSED STEEL GIRDER)

Nasib S Simamora1, M.Agung Putra Handana

2

1

Email:simamora_junior@yahoo.com Departemen Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara, Jl. Perpustakaan No. 1 Kampus USU Medan

2

Email: agung.putra@usu.ac.id Staf Pengajar Departemen Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara, Jl. Perpustakaan No. 1 Kampus USU Medan

ABSTRAK

Penggunaan gelagar baja untuk jembatan sampai saat ini masih digunakan untuk bangunan jembatan bentang menengah. Pada dasarnya jembatan baja dirancang sesuai dengan kebutuhan arus lalu lintas yang dilayaninya. Berbagai macam cara digunakan untuk memperbesar daya dukung gelagar baja pada jembatan, salah satunya adalah dengan penggunaan kabel prategang (external prestressing ) pada profil baja, yang disebut juga gelagar baja prategang ( prestressed steel girder ). Gelagar baja pratekan adalah gelagar baja yang dipasangi kabel prestress (tendon) sepertihalnya pada beton pratekan. Pemasangan tendon pada gelagar baja dilakukan diluar penampang profil sehingga disebut External Prestressing. Dengan cara ini, akan menghasilkan momen negatif yang akan mengurangi momen positif, sehingga dapat menambah daya dukung gelagar baja. Untuk itu perlu dikembangkan dan dilakukan penyelidikan untuk menentukan desain gelagar baja pratekan yang ekonomis dan mampu menahan beban yang besar. Tujuan penulisan ini adalah untuk mengetahui seberapa besar beban yang dapat diterima balok baja apabila diberikan perkuatan berupa kabel prategang yang dipasang dibagian badannya . Pada penelitian ini ditinjau sebuah struktur jembatan untuk lalu lintas umum dimana balok girder utamanya diberikan perkuatan berupa kabel prategang .

Kata Kunci : balok, gelagar , prategang , baja

ABSTRACT The use of steel girder for bridge is still used for medium – span bridges structure . Basically steel bridge designed according to traffic service . Various ways using for increase the carrying capacity of steel grider bridges , one of which is the use of prestressed cable (external prestressing) on steel section , which is also called prestressed steel girder (prestressed steel girder) . Prestressed steel girder is steel girder fitted with a steel cable prestress (tendo) . Likewise in prestressed concrete . The installation of the steel tendons carried out cross – sectional so called external prestressing . In this way , it will produce negative moment which will reduce the positive moment , so as to increase the carrying capacity of steel girder . for that’s need to be developed and carried out an investigation to determine the prestressing steel girder design an economical and able to withstand large loads . The purpose of this paper is to determine how much load is acceptable if the steel beam reinforcement is given in the form of prestressed cables that are fitted inside it’s web . In this paper taken a bridge structure for public traffic where the main girder beam reinforcement is given the form of prestressed cables.

Keywords : beam, girder , prestress , steel

1. PENDAHULUAN Penggunaan gelagar baja untuk jembatan sampai saat ini masih digunakan untuk bangunan jembatan bentang menengah. Pada dasarnya jembatan baja dirancang sesuai dengan kebutuhan arus lalu lintas yang dilayaninya. Seiring dengan perkembangan jaman, jumlah penduduk semakin meningkat, yang diiringi dengan pertumbuhan ekonomi dan peningkatan arus lalu lintas yang cukup pesat, ditambah lagi dengan diciptakannya kendaraan dengan bobot yang makin besar, Sehingga ada kalanya sebuah jembatan lama yang dirancang dengan lalu lintas rendah dan daya dukung rendah tidak sanggup melayani kapasitas arus lalu lintas, sehingga perlu diperkuat untuk menambah daya dukungnya. Berbagai macam cara digunakan untuk memperbesar daya dukung gelagar baja pada jembatan, salah satunya adalah dengan penggunaan kabel prategang (external prestressing ) pada profil baja, yang disebut juga gelagar baja prategang ( prestressed steel girder ). Gelagar baja pratekan adalah gelagar baja yang dipasangi kabel prestress (tendon) sepertihalnya pada beton pratekan. Pemasangan tendon pada gelagar baja dilakukan diluar

penampang profil sehingga disebut External Prestressing Dengan cara ini, akan menghasilkan momen negatif yang akan mengurangi momen positif, sehingga dapat menambah daya dukung gelagar baja. Untuk itu perlu dikembangkan dan dilakukan penyelidikan untuk menentukan desain gelagar baja pratekan yang ekonomis dan mampu menahan beban yang besar. Sistem gelagar baja prategang, dapat diaplikasikan pada jembatan baru maupun perkuatan terhadap jembatan baja yang sudah terpasang. Prinsip kerja dari baja prategang sama halnya dengan beton prategang yaitu dengan memberikan tegangan awal pada bagian bawah penampang balok, yaitu dengan memberikan tegangan lawan dari tegangan akibat berat sendiri dan beban hidup dengan memberikan penarikan kabel pada gelagar baja, dimana sebelum dibebani tegangan pada bagian bawah balok adalah negatif, dan setelah dibebani menjadi positif (Troitsky. M.S, 1990). Prinsip kerja gelagar baja prategang digambarkan sebagai berikut :

Gambar 1

Gelagar Baja Prategang

Gambar 2

Prinsip Kerja Prategang

Tujuan dari penelitian ini adalah: 1. Menganalisis secara teoritis balok baja ( profil I ) yang diperkuat dengan gaya prategang. 2. Mendesain balok baja prategang yang ringan dan kuat, dengan cara perkuatan kabel prategang.

2. METODE Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah dengan menganalisa struktur baja dengan gaya prategang berdasarkan pada data-data dan keterangan dari literatur yang berhubungan dengan pembahasan serta mengaplikasikannya dalam perhitungan struktur.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN Perkuatan struktur baja dengan tendon Untuk mengerti sifat dasar struktural pada struktur baja prategang , pertama kali diambil kasus sederhana , yaitu penampang batang baja persegi yang diberikan pembebanan (Gambar 3) . Bagian struktur diberikan gaya tarik P , dan gaya tekan X , selama gaya prategang pertama .

Gambar 3

Struktur Dengan Tegangan Prategang

Tegangan pada bagian struktur dan kabel adalah :

𝑓𝑓𝑚𝑚 = 𝑃𝑃−𝑋𝑋𝐴𝐴

dan 𝑓𝑓𝑡𝑡 = 𝑋𝑋𝐴𝐴𝑡𝑡

dimana :

𝑓𝑓𝑚𝑚 = tegangan struktur

𝑓𝑓𝑡𝑡 = tegangan tendon

P = gaya tarik

X = gaya tekan

A dan At

= area potongan melintang pada struktur dan tendon

Balok I simetris yang diberikan gaya prategang yang diletakan dibawah sayap dan dibebani dengan gaya eksternal . Berdasarkan gaya prategang X , tegangan seragam adalah

𝑓𝑓 = − 𝑋𝑋𝐴𝐴

Berkaitan dengan eksentrisitas prategang , balok yang dibebani dengan gaya momen sama halnya dengan beban langsung . Momen menghasilkan prategang Xec , dan berkaitan dengan momen ini ;

f = ± Xec

I

Jika M adalah momen eksternal yang berkaitan dengan beban pada penampang dan berat balok , sehingga tegangan pada titik – titik disepanjang penampang yang berhubungan dengan M adalah :

f = ±Mc

I

Gambar 4

Distribusi Tegangan Berdasarkan Prategang dan Beban pada Balok Baja I Simteris

Hasil dari distribusi tegangan diberikan sebagai berikut

f =XA

±Xec

I±

McI

Asumsi dasar yang digunakan pada analisa ini adalah : Struktur komposit , berdasarkan keefektivannya hubungan antara baja dan beton diberikan dengan maksud penghubung gesernya.

Gambar 5

Penampang Tipikal Prategang Komposit

Setelah beton telah mencapai kekuatan yang ditentukan , struktur komposit akan mengalami prategang dengan gaya prategang awal 𝑋𝑋𝑜𝑜 , dengan tujuan untuk mengurangi tegangan akhir prategang bawah atau atas . Gaya prategang akan menyebabkan tegangan berikut pada penampang komposit.

𝑓𝑓𝑡𝑡𝑡𝑡 = − 𝑋𝑋𝑜𝑜𝐴𝐴𝑡𝑡𝑡𝑡

− 𝑋𝑋𝑜𝑜𝑒𝑒𝑜𝑜𝑦𝑦𝑡𝑡𝐼𝐼𝑡𝑡𝑡𝑡

’ dan 𝑓𝑓𝑡𝑡𝑡𝑡 = − 𝑋𝑋𝑜𝑜𝐴𝐴𝑡𝑡𝑡𝑡

− 𝑋𝑋𝑜𝑜𝑒𝑒𝑜𝑜𝑦𝑦𝑡𝑡𝐼𝐼𝑡𝑡𝑡𝑡

Gaya prategang mengangkat balok dari kedudukan sementaranya . Akibatnya , bagian komposit akan membawa beban momen mati dan beban lampisan MDL + SD ,

𝑓𝑓𝑡𝑡𝑡𝑡 = + (𝑀𝑀𝐷𝐷𝐷𝐷+𝑆𝑆𝐷𝐷 )𝑦𝑦𝑡𝑡𝐼𝐼𝑡𝑡𝑡𝑡

dan 𝑓𝑓𝑡𝑡𝑡𝑡 = − (𝑀𝑀𝐷𝐷𝐷𝐷+𝑆𝑆𝐷𝐷 )𝑦𝑦𝑡𝑡𝐼𝐼𝑡𝑡𝑡𝑡

menghasilkan tegangan sebagai berikut

Kehilangan prategang Nilai yang diperlukan gaya prategang X0

∆𝑋𝑋𝑐𝑐𝑐𝑐 - Kehilangan akibat Rangka Beton dikurangi oleh faktor – faktor sebagai berikut , yaitu

∆𝑋𝑋𝑠𝑠𝑡𝑡 - Kehilangan akibat Susut Beton ∆𝑋𝑋𝑓𝑓𝑡𝑡 - Kehilangan akibat gesekan ∆𝑋𝑋𝑡𝑡 -kehilangan karena perubahan temperature yang tidak sesuai

Untuk kerja prategang , jika baja ditarik pada satu suhu dan beton diatur pada suhu yang lebih tinggi , akan terjadi hilangnya prategang . Akibatnya , kehilangan prategang total mungkin disebabkan oleh beberapa faktor ,dimana :

�∆𝑋𝑋𝑙𝑙𝑜𝑜𝑠𝑠𝑠𝑠 = −∆𝑋𝑋𝑐𝑐𝑐𝑐 − ∆𝑋𝑋𝑠𝑠𝑡𝑡 − ∆𝑋𝑋𝑓𝑓𝑡𝑡 − ∆𝑋𝑋𝑡𝑡

dan gaya awal dan prategang akhir adalah

𝑋𝑋𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑙𝑙 = 𝑋𝑋0 + ∆𝑋𝑋0 −�∆𝑋𝑋𝑙𝑙𝑜𝑜𝑠𝑠𝑠𝑠

Geser Secara umum persamaan untuk gaya geser yang disebabkan beban kerja adalah :

𝑉𝑉 = 𝑉𝑉0 − 𝑋𝑋 sin𝛼𝛼 Tegangan geser pada badan adalah

𝜏𝜏 =𝑉𝑉𝑉𝑉𝐼𝐼𝑡𝑡𝑤𝑤

Aplikasi perhitungan stuktur Pada bab ini akan dibahas sebuah gelagar baja profil I yang dipakai pada struktur jembatan baja . Pembeban yang diberikan mengacu pada SNI T-02-2005 “Standar Pembebanan Untuk Jembatan“, jembatan ditinjau merupakan jembatan untuk lalu lintas umum, dua lajur dengan jumlah lajur lalu lintas rencana 2 lajur , lebar jembatan (B) = 7m, panjang jembatan (L) = 24m . Jembatan merupakan jembatan lalu lintas dua arah dengan jumlah lajur (n1) = 2 Untuk perencanaan gelagar jembatan ini , menggunakan profil baja dengan mutu BJ 50 , dengan data – data sebagai berikut , fy = 290 MPa , fu = 500 MPa , E = 2,1 x 106 kg/cm2

.

Gambar.6

Tampang Melintang Jembatan Rencana

Gambar.7

Tampang Memanjang Jembatan Rencana

Pembebanan Jembatan

Data – data pembebanan untuk perhitungan Analisa kekuatan Balok Baja adalah sebagai berikut : - Beban Mati (akibat berat pelat beton , aspal , bekisting , balok , trotoar , sandaran) Beban mati total Qd (u) = 2209.06 kg/m Momen akibat beban mati MD- Beban Hidup

= 159054,48 kgm

Akibat beban terbagi rata (UDL) QL Akibat beban garis (KEL) M

= 2880 kg/m = 28,80 kN/m L

Akibat beban Truk (T) M = 20483,552 kNm = 20748,35 kgm

L

= 156 kgm

Perhitungan Momen Lentur Penampang Melintang Komposit Dalam mendesain diasumsikan topangan sementara akan digunakan selama konstruksi . 2 perletakan sementara digunakan untuk meningkatkan lentur awal.Nilai – nilai reaksi yang dihasilkan adalah sebagai berikut : - RA = RD = 5089,632 kg - RB = RC- M

= 13993,32 kg B = MC = -10179,26 kgm - M1 = M3

- M = 8143,41 kgm

2 = 2544,81 kgm - MB = MC

= 111946,56 kgm

Gambar 7 Reaksi Perletakan

Perkiraan Determinasi Penampang Melintang Pelat Baja

Untuk balok grider utama digunakan profil baja IWF 800 x300 x 30 x 16

Gambar 8 Potongan melintang

Inersia penampang (Is) = 608632,36 cmLuas penampang (A) = 308 cm

4

Modulus penampang (S) = 15215,80 cm2

Inersia penampang beton (I3

c) = 3240 cmUntuk masing – masing nilai inersia penampang komposit untuk nilai n = 37 dan n = 12 diberikan pada tabel berikut :

4

Tabel 1

Inersia komposit untuk n = 37

n = 37 material

A (cm2

(1) )

y (cm) (2)

Ay (cm3

(3) )

Ay(cm

2 4

(4) )

Io (cm4

(5) )

�𝑰𝑰 = 𝑨𝑨𝒚𝒚𝟐𝟐 + 𝑰𝑰𝒐𝒐 (cm4

(6) )

Baja 308 40 12320 492800 608632,36 1101432,36 Beton 97,2 10 972 9720 3240 12960 � 405,2 13292 - - 1114392,36

Tabel 2`

Inersia penampang komposit , n = 12

n = 12 material

A (cm2

(1) )

y (cm) (2)

Ay (cm3

(3) )

Ay(cm

2 4

(4) )

Io (cm4

(5) )

�𝑰𝑰 = 𝑨𝑨𝒚𝒚𝟐𝟐 + 𝑰𝑰𝒐𝒐 (cm4

(6) )

Baja 308 40 12320 492800 608632,36 1101432,36 Beton 300 10 3000 30000 12000 42000 � 608 15320 - - 1143432,36

Desaian Shear Connectors (Penghubung Geser)

Stud yang diberikan = 146 stud

Desain Pengaku (Stiffeners)

Tebal Pelat = 0,6 cm Lebar Pengaku = 22,5 cm Kehilangan Prategang Akibat Rangka

Kehilangan prategang akibat rangka = 33,1 kg/cmPersentase kehilangan = 6,18%

2

4. KESIMPULAN Dari perhitungan Analisa Kekuatan Balok Baja Prategang (Prestressed Steel Girder) diperoleh : 1. Dari hasil perhitungan Analisa Kekuatan Balok Prategang (Prestressed Steel Girder) didapat: Dimensi balok girder yang digunakan adalah IWF 800 x 300 x 30 x 16 Stud connector yang digunakan sebanyak 146 stud. Digunakan tendon kabel dengan diameter 0,43cm yang dibentuk menjadi kawat untaian/strand dengan

jumlah 20 kabel tiap strand. Persentase kehilangan prategang akibat rangka = 6,18%

2. Penggunaan tendon prategang untuk gelagar baja dapat meningkatkan kapasitas daya dukung dari struktur tersebut.

3. Dengan penggunaan tendon prategang, dimensi dari profil baja yang digunakan dapat diminimalkan, sehingga akan mengurangi berat baja yang digunakan yang akan menghemat biaya konstruksi.

4. Faktor – faktor yang menyebabkan kehilangan gaya prategang yaitu akibat relaksasi baja , slip angker , gesekan (friction) sangat mempengaruhi sehingga perlu diperhatikan dalam perhitungan.

DAFTAR PUSTAKA Nunziata, Vincenzo. Strutture in acciaio precompresso. Palermo: Dario Flaccovio, Editore 1999. Troitsky. M.S, Prestressed Steel Bridges Theory and Design. Van Nostrand Reinhold Company. New York. 1990. Bresler, Boris. Design of Steel Structures. Jhon Wiley and Sons, inc,New York, December 1967. Nunziata, Vincenzo. Prestressed steel structures design: a new frontier for structural engineering. Studio Nunziata, Palma Campania, Napoli, Italy. Nunziata, Vincenzo. Prestressed steel structures: historical and technological analysis. Studio Nunziata, Palma Campania, Napoli, Italy. Cormac, Mc jack C. Struktural Steel Design. Harper and Row Publisher. New York.1981.