PEMODELAN NUMERIK DAN EKSPERIMENTAL SAMBUNGAN KAYU BATANG TEKAN ABSTRAK

PEMODELAN NUMERIK DAN EKSPERIMENTAL SAMBUNGAN KAYU BATANG TEKAN Deny Anarista Sitorus NRP: 0621060 Pembimbing: Yosafat Aji Pranata, ST., MT.

ABSTRAK Sambungan kayu merupakan bagian atau elemen suatu konstruksi, dimana penggunaan sambungan pada kayu diperuntukkan untuk bentang panjang. Kayu merupakan material ortotropik, yaitu material yang bersifat unik, dengan properti yang berbeda pada ketiga arah sumbu utamanya, yaitu arah longitudinal, arah radial, dan arah tangensial. Arah longitudinal didefinisikan sebagai arah sejajar serat, arah radial adalah tegak lurus serat serta arah normal terhadap lingkaran pertumbuhan (growth rings), sedangkan arah tangensial adalah tegak lurus serat tetapi arah sudut tangensial terhadap lingkaran pertumbuhan. Tujuan dari penelitian tugas akhir ini adalah mempelajari perilaku dari keruntuhan sambungan kayu batang tekan. Kayu yang digunakan adalah jenis kayu Pete (Parkia speciosa) dan kayu Meranti Merah (Rubroshorea). Penelitian ini meliputi penelitian eksperimental di laboratorium dan penelitian numerik berbasis metode elemen hingga. Hasil dari penelitian ini adalah perilaku kekakuan sambungan kayu Meranti Merah, yaitu berupa kurva hubungan beban dan lendutan antara penelitian numerik dan penelitian eksperimental, dengan menunjukkan trend yang mirip. Hal ini dapat terjadi karena pemodelan properti material kayu yang digunakan dalam penelitian eksperimental, diperoleh langsung dari uji properti material kayu Meranti Merah. Sedangkan perilaku kekakuan sambungan kayu Pete, yaitu berupa kurva hubungan beban dan lendutan, menunjukkan trend yang mempunyai perbedaan yang signifikan antara penelitian numerik dan eksperimental. Hal ini dapat terjadi karena pemodelan properti material kayu Pete diambil dari tinjauan literatur [Forest Products Laboratory, 2010]. Kata kunci: Sambungan kayu, Tekan, Numerik, Eksperimental

ix

Universitas Kristen Maranatha

EXPERIMENTAL AND NUMERICAL MODELING OF COMPRESSION TIMBER CONNECTION Deny Anarista Sitorus NRP: 0621060 Supervisor: Yosafat Aji Pranata, ST., MT.

ABSTRACT The timber connection is a part of the structure, whereby the use of the connection on the timber destined for long span. Wood is an ortothropik material, which material that is unique, with different properties on the three main axis directions, namely longitudinal, radial, and tangential directions. Longitudinal direction is defined as the direction parallel to grain, radial direction is perpendicular to the fiber along the normal direction to the growth rings, while the tangential direction is perpendicular to the direction angle of fiber but tangential to the growth rings. The purpose of this research is to study the collapse behavior of compression timber connection. Wood used are the type of timber Pete (Parkia speciosa) and Red Meranti (Rubroshorea). The research includes experimental studies in laboratory and research-based numerical finite element method. Results obtained from this research are the stiffness behavior of the connection Red Meranti wood, which formed as a relation curve of load and deflection that shows similar trend between numerical and experimental research studies. This can happen because the modeling of timber material properties used in experimental research, obtained directly from material property testing Red Meranti wood. Meanwhile the stiffness behavior of connection of pete wood which formed as a relation curved of load and deflection shows trend which has significant differences between numerical and experimental studies. It can happen because the modeling properties of pete wood material is taken from the literature review [Forest Products Laboratory, 2010] Keywords: Wood connection, Compression, Numerical, Experimental.

x Unive

Universitas Kristen Maranatha

DAFTAR ISI Halaman Judul ..................................................................................... i Lembar Pengesahan ............................................................................ ii Pernyataan Orisinalitas Laporan Penelitian ........................................ iii Pernyataan Publikasi Laporan Penelitian ............................................. iv Surat Keterangan Tugas Akhir ............................................................ v Surat Keterangan Selesai Tugas Akhir ............................................... vi Kata Pengantar .................................................................................... vii Abstrak ................................................................................................ ix Daftar Isi .............................................................................................. xi Daftar Tabel ........................................................................................ xii Daftar Gambar ..................................................................................... xiv Daftar Notasi ....................................................................................... xvi Daftar Lampiran .................................................................................. xix BAB I PENDAHULUAN .................................................................. 1.1 Latar Belakang .............................................................................. 1.2 Tujuan Penelitian .......................................................................... 1.3 Ruang Lingkup Penelitian ............................................................. 1.4 Sistematika Pembahasan ...............................................................

1 1 5 5 5

BAB II TINJAUAN LITERATUR .................................................. 2.1 Kayu .............................................................................................. 2.1.1 Modulus Elastisitas .............................................................. 2.1.2 Poisson Ratio ....................................................................... 2.1.3 Modulus Geser ..................................................................... 2.1.4 Kuat Tekan Sejajar Serat ...................................................... 2.1.5 Berat Jenis dan Kadar Air .................................................... 2.2 Baut ............................................................................................... 2.2.1 Kuat Tarik ............................................................................ 2.2.2 Kuat Tumpu Sejajar Serat .................................................... 2.2.3 Kuat Leleh Lentur ................................................................ 2.3 Sambungan Kayu Batang Tekan ................................................... 2.4 Perangkat Lunak ADINA .............................................................. 2.5 Uji Eksperimental ..........................................................................

7 7 9 9 10 10 11 12 12 12 14 14 25 26

BAB III STUDI KASUS DAN PEMBAHASAN ............................ 3.1 Preliminary Desain Model Benda Uji ........................................... 3.1.1 Persiapan ............................................................................. 3.1.2 Pelaksanaan Eksperimental ................................................. 3.1.2.1 Ekperimental Kayu Pete ................................................ 3.1.2.2 Eksperimental Kayu Meranti Merah ............................. 3.2 Pemodelan Numerik ...................................................................... 3.2.1 Tahapan Pemodelan Sambungan Kayu Pete ....................... 3.2.2 Tahapan Pemodelan Sambungan Kayu Meranti Merah ...... 3.3 Pembahasan ..................................................................................

27 28 32 35 35 36 38 38 54 70

xi

Universitas Kristen Maranatha

BAB IV KESIMPULAN DAN SARAN ........................................... 75 4.1 Kesimpulan ................................................................................... 75 4.2 Saran .............................................................................................. 76 DAFTAR PUSTAKA ......................................................................... 77 LAMPIRAN ........................................................................................ 79

xii

Universitas Kristen Maranatha

DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Tabel 2.2 Tabel 2.3 Tabel 2.4

Faktor waktu ................................................................................. 15 Faktor tahanan ............................................................................... 15 Keberlakuan factor (FK) untuk sambungan ................................... 16 Jarak tepi, jarak ujung, dan persyaratan spasi untuk Sambungan baut, sekrup, kunci, pen dan pasak ............................ 22 Tabel 2.5 Acuan persamaan sambungan untuk baut, pasak dengan satu irisan yang menyambung dua komponen .............................. 24 Tabel 2.6 Acuan persamaan sambungan untuk baut, pasak dengan dua irisan yang menyambung tiga komponen ................................ 25 Tabel 3.1 Perbandingan peralihan/deformasi sambungan tekan antara hasil eksperimental dengan ADINA kayu pete dengan tumpuan ujung .................................................................. 72 Tabel 3.2 Perbandingan peralihan/deformasi sambungan tekan Antara hasil eksperimental dengan ADINA kayu pete Dengan tumpuan merata ............................................................... 72 Tabel 3.3 Perbandingan peralihan/deformasi sambungan tekan antara hasil eksperimental dengan ADINA sambungan meranti merah 1 baut dengan tumpuan ujung ............................... 73 Tabel 3.4 Perbandingan peralihan/deformasi sambungan tekan antara hasil eksperimental dengan ADINA sambungan meranti merah 1 baut dengan tumpuan merata ............................. 73 Tabel 3.5 Perbandingan peralihan/deformasi sambungan tekan Antara hasil ekperimental dengan ADINA sambungan meranti merah 2 baut dengan tumpuan ujung ............................... 74 Tabel 3.6 Perbandingan peralihan/deformasi sambungan tekan Antara hasil eksperimental dengan ADINA sambungan Meranti merah 2 baut dengan tumpuan merata ............................. 74 Tabel L 7.1 Hasil pengujian fisik kayu .......................................................... 84 Tabel L 7.2 Hasil pengujian tekan sejajar serat kayu pete ............................. 84 Tabel L 7.3 Hasil pengujian tarik tegal lurus serat kayu pete ........................ 85 Tabel L 7.4 Nilai poisson ratio kayu pete ..................................................... 86 Tabel L 7.5 Nilai modulus geser kayu pete ................................................... 86 Tabel L 7.6 Hasil pengujian tekan sejajar serat kayu meranti merah ............ 87 Tabel L 7.7 Hasil pengujian tarik tegak lurus serat kayu meranti merah ...... 88 Tabel L 7.8 Nilai poisson ratio kayu meranti merah ..................................... 89 Tabel L 7.9 Nilai modulus geser kayu meranti merah ................................... 89 Tabel L 8.1 Nilai beban kritis ......................................................................... 91 Tabel L 9.1 Hubungan perpindahan-beban sambungan kayu pete ................ 94 Tabel L 9.2 Hubungan perpindahan-beban sambungan kayu meranti merah 96 Tabel L 9.3 Hasil pengujian eksperimental sambungan kayu pete ............... 97 Tabel L 9.4 Hasil pengujian eksperimental sambungan kayu meranti merah 136

xiii

Universitas Kristen Maranatha

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Arah serat kayu .......................................................................... Gambar 2.2 Regangan yang terjadi pada material orthotropik ..................... Gambar 2.3 Benda uji untuk kuat tekan sejajar serat .................................... Gambar 2.4 Oven .......................................................................................... Gambar 2.5 Alat ukur berat ........................................................................... Gambar 2.6 Pengujian kuat tarik baut ........................................................... Gambar 2.7 Berbagai model benda uji kuat tumpu baut ............................... Gambar 2.8 Benda uji untuk kuat tumpu baut .............................................. Gambar 2.9 Benda uji untuk kuat lentur baut ............................................... Gambar 2.10 Geometri sambungan baut ......................................................... Gambar 2.11 Instrumen Hung Ta .................................................................... Gambar 3.1 Benda uji pada pengujian eksperimental ................................... Gambar 3.2 Pemodelan benda uji sambungan kayu pete .............................. Gambar 3.3 Pemodelan sambungan kayu meranti Merah .......................... Gambar 3.4 Kegagalan yang terjadi pada sambungan kayu ......................... Gambar 3.5 Lokasi pembebanan pada UTM ................................................ Gambar 3.6 Riwayat pembebanan sambungan kayu pete ............................. Gambar 3.7 Sambungan kayu meranti merah dengan 1 baut ........................ Gambar 3.8 Sambungan kayu meranti merah dengan 2 baut ........................ Gambar 3.9 Riwayat pembebanan pada sambungan meranti merah ............ Gambar 3.10 Pendimensian elemen kayu ....................................................... Gambar 3.11 Pemodelan sambungan kayu ..................................................... Gambar 3.12 Pendimensian lubang baut ......................................................... Gambar 3.13 Pembuatan lubang baut ............................................................. Gambar 3.14 Pemodelan lubang baut ............................................................. Gambar 3.15 Pemodelan baut ......................................................................... Gambar 3.16 Pendimensian tumpuan ............................................................. Gambar 3.17 Input data tumpuan .................................................................... Gambar 3.18 Pemodelan tumpuan .................................................................. Gambar 3.19 Pendefinisian beban ................................................................... Gambar 3.20 Pemodelan beban ....................................................................... Gambar 3.21 Mendefinisikan constraint ......................................................... Gambar 3.22 Mendefinisikan bidang kontak .................................................. Gambar 3.23 Pemodelan bidang kontak ......................................................... Gambar 3.24 Input data pasangan bidang kontak ........................................... Gambar 3.25 Pemodelan material ................................................................... Gambar 3.26 Pendefinisian grup elemen material .......................................... Gambar 3.27 Pendefinisian mesh density elemen 3D solid ............................ Gambar 3.28 Mesh pada elemen 3D solid ...................................................... Gambar 3.29 Pendefinisian time step ............................................................... Gambar 3.30 Pendefinisian time function ....................................................... Gambar 3.31 Pemodelan dimensi benda uji meranti merah ........................... Gambar 3.32 Pemodelan baut pada sambungan kayu meranti merah ............ Gambar 3.33 Pendefinisian material model benda uji .................................... Gambar 3.34 Pendefinisian group elemen ......................................................

xiv

9 10 11 11 11 12 13 14 14 19 26 32 33 34 35 36 36 37 37 37 39 39 40 41 41 42 43 44 44 45 46 47 48 49 49 50 51 52 53 53 54 56 57 59 60

Universitas Kristen Maranatha

Gambar 3.35 Pendefinisian constraint ............................................................ Gambar 3.36 Pendefinisian body contact ........................................................ Gambar 3.37 Pendefinisian contact surface on geometry ............................... Gambar 3.38 Pendefinisian contact pair ......................................................... Gambar 3.39 Pemodelan tumpuan .................................................................. Gambar 3.40 Pendefinisian beban ................................................................... Gambar 3.41 Pendefinisian titik nodal beban ................................................. Gambar 3.42 Pemodelan beban pada sambungan kayu .................................. Gambar 3.43 Pendefinisian mesh density ........................................................ Gambar 3.44 Mesh elemen 3D solid pada elemen baja .................................. Gambar 3.45 Mesh elemen 3D solid pada elemen kayu meranti merah ......... Gambar 3.46 Hasil mesh pada model benda uji .............................................. Gambar 3.47 Kurva hubungan beban-deformasi sambungan kayu pete Antara eksperimental dengan ADINA ....................................... Gambar 3.48 Kurva hubungan beban-deformasi sambungan kayu meranti Merah 1 baut antara eksperimental dengan ADINA ................. Gambar 3.49 Kurva hubungan beban-deformasi sambungan kayu meranti Merah 2 baut antara eksperimental dengan ADINA ................. Gambar L 1.1 Diagram alir ............................................................................ Gambar L 2.1 Benda uji sambungan kayu pete tampak atas .......................... Gambar L 2.2 Benda uji sambungan kayu pete tampak samping .................. Gambar L 3.1 Benda uji sambungan kayu meranti merah tampak atas ......... Gambar L 3.2 Benda uji sambungan kayu meranti merah tampak samping Gambar L 4.1 Benda uji 3 dimensi sambungan kayu pete isometri dua baut Gambar L 5.1 Benda uji 3 dimensi sambungan kayu meranti merah isometri satu baut .......................................................................... ........ Gambar L 6.1 Benda uji 3 dimensi sambungan kayu meranti merah isometri dua baut ................................................................................... Gambar L 7.1 Grafik hubungan tegangan (σ ) dan regangan (ε ) pada kayu pete tekan sejajar serat ........................................... Gambar L 7.2 Grafik hubungan tegangan (σ ) dan regangan (ε ) pada kayu pete tarik tegak lurus serat ..................................... Gambar L 7.3 Grafik hubungan tegangan (σ ) dan regangan (ε ) pada kayu meranti merah tekan sejajar serat .......................... Gambar L 7.4 Grafik hubungan tegangan (σ ) dan regangan (ε ) pada kayu meranti merah tarik tegak lurus serat ..................... Gambar L 8.1 Pemodelan tekuk akibat beban kritis ...................................... Gambar L 9.1 Peralihan pemodelan sambungan kayu pete ........................... Gambar L 9.2 Pemodelan numerik scale displacements 10% ....................... Gambar L 9.3 Nilai perpindahan arah-z sambungan kayu pete ..................... Gambar L 9.4 Pemodelan numerik sambungan kayu meranti merah ............ Gambar L 9.5 Pemodelan numerik sambngan kayu meranti merah tampak samping ......................................................................

xv

61 61 62 63 65 65 66 66 67 67 68 69 70 71 71 78 79 79 80 80 81 82 83 85 86 88 89 90 92 93 93 95 96

Universitas Kristen Maranatha

DAFTAR NOTASI b

= Lebar penampang, mm.

h

= Tinggi penampang, mm

Pu

= Beban ultimate, kg.

PIzin

= Beban izin, kg.

PPatah

= Beban patah, mm.

ν RL

= nilai rasio poisson searah serat.

ν LR

= nilai rasio poisson tegak lurus serat.

ν TL

= Nilai angka poisson.

EL

= Modulus elastisitas arah sejajar serat, MPa.

ER

= Modulus elastisitas arah tegak lurus mata kayu, MPa.

ET

= Modulus elastisitas arah tegak lurus serat, MPa.

GLR

= Modulus geser arah sejajar serat terhadap tegak lurus mata kayu, MPa.

GLT

= Modulus geser arah sejajar serat terhadap arah tegak lurus serat, Mpa.

GRT

= Modulus geser arah tegak lurus mata kayu terhadap tegak lurus serat, Mpa.

SG

= Berat jenis kayu, gr/cm3.

MC

= Kadar air kayu, %.

WBasah

= Berat basah kayu, gr.

WKering = Berat kering kayu, gr. V

= Volume, cm3.

Fe//

= Kuat tumpu baut sejajar serat, Mpa.

Fe⊥

= Kuat tumpu baut tegak lurus serat, MPa.

xvi

Universitas Kristen Maranatha

Feα

= Kuat tumpu baut untuk beban bersudut serat, MPa.

Fy

= Kuat tarik baut, MPa.

Fu

= Kuat ultimate baut, MPa.

Z

= Tahanan lateral, N.

Z'

= Tahanan lateral terkoreksi, N.

Cg

= Faktor koreksi aksi kelompok baut.

CΔ

= Faktor koreksi geometri baut.

!

= Faktor waktu.

D

= Diameter baut.

bopt

= Jarak tepi, mm.

aopt

= Jarak ujung, mm.

sopt

= Spasi, mm.

lm

= Bentang komponen utama, mm.

Fem

= Kuat tekan kayu utama pada sambungan, MPa.

ts

= Tinggi kayu komponen sekunder pada sambungan, MPa.

Fes

= Kuat tekan kayu pada komponen sekunder, MPa.

Kθ

= Sudut arah beban, derajat (o).

tm

= Tinggi kayu komponen utama, mm.

Re

= Perbandingan kuat tekan komponen utama dengan komponen sekunder.

Fyb

= Kuat Leleh Lentur, MPa.

Pe

= Beban kritis atau beban tekuk, N.

xvii

Universitas Kristen Maranatha

σ

= Tegangan, MPa.

ε

= Regangan.

Fcy

= Kuat tekan kayu sejajar serat, MPa.

Ft ⊥

= Kuat tarik, MPa.

Fcu

= Kuat tekan ultimate, MPa.

Ep

= Modulus elastisitas kayu kondisi plastis, MPa.

Ey

= Modulus elastisitas kayu kondisi elastis, MPa.

Pe

= Beban kritis, N.

I

= Momen inersia terkecil, mm4.

Ke

= Faktor panjang tekuk.

L

= Panjang kolom, mm.

xviii

Universitas Kristen Maranatha

DAFTAR LAMPIRAN L1 L2 L3 L4 L5 L6 L 7.1 L 7.1.1 L 7.2 L 7.2.1 L 7.2.2 L8 L 9.1 L 9.1.1 L 9.1.2 L 9.2 L 9.2.1 L 9.2.2

Diagram alir ..................................................................................... 78 Dimensi sambungan kayu pete ........................................................ 79 Dimensi sambungan kayu meranti merah ........................................ 80 Pemodelan sambungan kayu pete dua baut ...................................... 81 Pemodelan sambungan kayu meranti merah satu baut .................... 82 Pemodelan sambungan kayu meranti merah ..................................... 83 Uji eksperimental properti fisik kayu ............................................... 84 Sifat mekanik kayu ........................................................................... 84 Uji eksperimental properti mekanisn kayu ...................................... 84 Kayu pete ......................................................................................... 84 Kayu meranti merah ......................................................................... 87 Analisis beban kritis ......................................................................... 90 Hasil pemodelan numerik ................................................................ 92 Pemodelan numerik sambungan kayu pete ...................................... 92 Pemodelan numerik sambungan kayu meranti merah ..................... 95 Hasil pengujian eksperimental ......................................................... 97 Eksperimental sambungan kayu pete ............................................... 97 Eksperimental sambungan kayu meranti merah .............................. 136

xix

Universitas Kristen Maranatha