© Teknik Sipil Itenas | Vol. 1 | No. 2015
Desember 1
Jurnal Online Institut Teknologi Nasional

## Kajian Distribusi Tegangan Sambungan
Material Fiber Reinforced Polymer pada Kondisi Elastik Linier dengan Menggunakan Metode Elemen Hingga
PRIMASARI, P 1 ., HERBUDIMAN, B 2 ., HARDONO, S 3
1 Mahasiswa,Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan Institut Teknologi Nasional
2 Dosen, Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan Institut Teknologi Nasional
3 Kepala Balai Jembatan dan Pelengkap Jalan Puslitbang Jalan dan Jembatan, Kementerian Pekerjaan Umum Email: putrifrimasari@gmail.com

## ABSTRAK
Pengembangan  fiber  reinforced  polymer  untuk  menjadi  suatu  material  yang dapat diperhitungan dalam konstruksi jembatan, yang dilakukan Pusat Penelitian dan  Pengembangan  Jalan dan  Jembatan  (Puslitbang  Jalan  dan  Jembatan) merupakan suatu langkah penting untuk memajukan bidang infrastruktur teknik sipil. Penggunaan FRP masih terbatas pada aplikasi perkuatan jembatan. Untuk menjadikan  suatu  struktur  utama  jembatan,  diperlukan  kajian  guna  memahami perilaku  dan  mengetahui  dasar-dasar  perencanaannya.  Penelitian  ini  bertujuan untuk  memberikan  gambaran  peningkatan  konsentrasi  tegangan  pada sambungan spesimen FRP dan membandingkan grafik gaya terhadap deformasi hasil pemodelan dengan hasil eksperimental. Untuk itu, metode penelitian yang dilakukan  ialah  menganalisis  spesimen  FRP  melalui  pendekatan  numerik menggunakan software Ansys Workbench.
Hasil  analisis  pemodelan  menunjukkan  peningkatan  konsentrasi  tegangan  yang terbesar  terdapat  pada  konfigurasi  5  lubang  baut  dengan  nilai  tegangan  tekan sebesar 76,52%, dan luas sebaran lebih dari 1/2 D lubang. Selain itu, persentase perbedaan terbesar uji numerik terhadap uji eksperimental sekitar 12%.
Kata  kunci : fiber reinforced polymer, ANSYS Workbench versi  14,  konsentrasi tegangan, sambungan.

## ABSTRACT
Development the fiber reinforced polymer to be a material which can be counted in contruction of bridges, that is being conducted at the Center for Research and Development  Road  and  Bridge is  a  important  stride  for  developing  indonesian civil engineering infrastruktur. Utilization of FRP is still limited to the application of  strengthening  bridges.  For  making  a  main  structural  of  bridge,  required  to study  for  understanding  behaviour  and  knowing  their  design  basics.  This research aims to give the description of increasing consentration of stress for FRP connection. And  compare  the  force-deformation  curves  of  the  modelling  to labour’s  test.  Therefor,  the  method  which  is  used  to  analyze  the  specimens approach modelling the specimen using Ansys Workbench.
Otherwise, the result showed the largest compressive stress is 76,52 %, and its spreading is more than a half of diameter of bolt hole. Beside that, the largest percentage difference between the modelling and experimental is about 12%.
Keywords :  fiber reinforced  polymer, ANSYS  Workbench version  14,  stress consentration, connection

## 1. PENDAHULUAN
Jembatan sementara seperti jembatan Bailey ,  memiliki elemen  yang  relatif berat dan membutuhkan waktu  yang  lama  untuk instalasi. Sehingga dibutuhkan teknologi  material ringan pada  jembatan  sementara agar  mudah untuk dibawa dan dirakit oleh manusia. Penggunaan dengan  FRP  memberikan keuntungan  yang  besar pada  konstruksi  jembatan sementara,  karena  kekuatan yang  dapat diperhitungkan, waktu  pemasangan  yang  relatif singkat,  material  yang  ringan  sehingga  membutuhkan  lebih  sedikit  pondasi,  dan  lebih membutuhkan  pekerja  dan  alat-alat  berat  yang  sedikit.Untuk  menjadi suatu komponen jembatan  yang  struktural,  masalah  yang sering ditemukan salah satunya adalah mengenai sambungan yang  memadai. Oleh  sebab  itu, akan ditinjau mengenai aspek distribusi tegangan yang terjadi pada spesimen bermaterial komposit FRP menggunakan metode FEM ( Finite  Element  Method ). FEM  berperan  mempermudah  untuk  mengubah  suatu  masalah dengan derajat tertentu, sehingga proses pemecahan masalahnya lebih sederhana. Menurut  Effendy,  E.  H.  (2004),  ANSYS  merupakan  salah  satu software berbasis  elemen hingga.  Dengan  latar  belakang  demikian,  pada  penelitian  ini,  analisis  ANSYS  dilakukan dengan  pemilihan  elemen  solid,  serta  analisis  yang  dilakukan  hanya  sampai  pada  kondisi elastik linier, karena hasil perhitungan pada kondisi tersebut yang berupa gaya-gaya dalam yang umumnya digunakan untuk perancangan/desain.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
Fibre  Reinforced  Polymers (FRP)  merupakan  material  komposit terdiri dari polimer matrik yang melekat pada serat berkekuatan tinggi seperti, serat gelas, aramid, dan serat karbon. Kekuatan FRP dipengaruhi terhadap jenis serat, tipe serat, jumlah serat, dan jenis resin pada FRP.  Menurut  Thomas  Keller  (2003),  tidak  seperti  material  baja,  beton,  dan  lainnya,  pada komposit  FRP  termasuk  ke  dalam  jenis  material  yang  bersifat  anisotropik (ortotropik termasuk jenis anisotropik) adalah komposit yang matriksnya memberikan penguatan yang tidak  sama  terhadap  arah  yang  berbeda,  misalnya  nilai  penguatan  untuk  arah  transversal tidak  sama  dengan  penguatan  arah  longitudinal. Untuk  mendukung  penelitian  ini,  penulis mengambil  referensi  berdasarkan  penelitian  pengaruh  rasio / terhadap  kekuatan
sambungan  oleh Park JS  (2009).  Hasil penelitian tersebut baik eksperimental dan simulasi numerik memperlihatkan bahwa rasio / memberikan  peningkatan  secara  linier  terhadap kekuatan sambungan ( Gambar 1 ).
Gambar 1. Pengaruhrasio e/d pada kekuatan sambungan PFRP

## (Park JS, 2009)
Metode elemen hingga adalah suatu metode pemaparan bagaimana perjalanan aksi hingga timbul reaksi dalam materi, atau metode untuk memperkirakan besar reaksi apa yang timbul dari  materi  tersebut.  Kontinum  dibagi-bagi  menjadi  bagian  yang  lebih  kecil,  maka  elemen kecil ini disebut elemen hingga. Proses pembagian kontinum menjadi elemen hingga disebut proses diskretisasi (pembagian). Dinamakan elemen hingga karena ukuran elemen kecil ini berhingga (bukannya kecil tak berhingga) dan umumnya mempunyai bentuk geometri yang lebih sederhana dibandingkan dengan kontinumnya.

## 3. METODOLOGI PENELITIAN
Pada penelitian  ini  digunakan ANSYS Workbench  versi  14  dengan  pilihan  analisis static structural. Pemodelan  benda  uji  digambar  dengan  AutoCAD  versi  2008  dengan  tampilan 3D.Fokus penelitian ini, untuk menganalisisdistribusi tegangan material komposit FRP yang mengalami pembebanan dari luar.
Selain  menganalisis struktur, software ANSYS  dapat  juga  digunakan  untuk  melakukan analisis termal, analisis fluida, analisis elektromagnet, dan gabungan dari displin-displin ilmu tersebut.
Analisis secara umum biasanya terdiri dari tahapan sebagai berikut: 1. Membuat model.
2. Mendefinisikan pembebanan dan menentukan solusi yang dibutuhkan.
3. Menganalisis hasil yang diperoleh.
Berikut adalah penjelasan tahap analisis:
1. Tahap pertama: spesifikasi spesimen.
Spesimen berupa pelat FRP, yang diapit antara pelat baja, dan dihubungkan dengan sebuah  pelat  baja  lagi.  Setelah itu,  mendeskripsikan  karakteristik mekanik pada spesimen  FRP yang bersifat ortotropik,  dimana mempunyai nilai-nilai dalam arah sumbu − − .  Setelah  pada  tahap  tersebut  selesai  dilakukan,  tahap  selanjutnya membuat pemodelan spesimen digambar menggunakan AutoCAD versi 2008 seperti pada Gambar 2 . Selanjutnya Gambar 2 tersebut diekspor ke software ANSYS versi 14.
Gambar 2. Model solid 3D pelatbaja, pelat FRP, danbaut digambardenganAutoCAD versi 2008.
Kontak antar permukaan spesimen FRP  dengan  pelat  baja  dan  baut  didefinisikan  sebagai frictional (dengan  nilai =0,2),  dan bonded didalam  pemodelan. Ditetapkan beberapa kondisi batas sama pada seluruh spesimen. Acceleration searah dengan arah sumbu dengan nilai  9800  mm 2 /s, fixed  support (jepit)  diaplikasikan pada specimen baja,  dan pengaturan displacement pada setiap permukaan specimen baja. Displacement digunakan dengan maksud  agar  spesimen  yang akan dianalisis tidak mengalami gerak kearah sumbu dan , namun diperbolehkan untuk bergerak searah beban tarik (sumbu ). oleh sebab itu, nilai displacement arah sumbu didefinisikan  0  mm. Meshing yang  digunakan  berukuran medium.
2. Tahap kedua: pembebanan. Beban  yang  disimulasikan menggunakan hasil uji eksperimental. Hasil uji eksperimental berupa grafik force (MPa)  terhadap stroke (mm). Beban  yang digunakan  merupakan increamental  load . Dimana pembebanan  terdiri  dari  10 step.Pada  pemodelan, beban  berupa pressure dengan  bernilai  negatif,  sehingga beban dianggap beban tarik. Solusi yang dibutuhkan tegangan, dan deformasi, guna untuk  melihat  peningkatan  tegangan  sambungan  FRP  dalam  menahan  beban  yang disimulasikandan membandingkan  hasil  pemodelan terhadap hasil  eksperimental. Tahapan penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 3 .
pelat baja pelat FRP
baut
Gambar 3. Bagan alir metode penelitian.

## 4. PEMBAHASAN DAN ANALISIS
Hasil yang akan didapatkan berupa kontur tegangan pada setiap spesimen, dan setiap warna tersebut mempunyai nilai-nilai batas tertentu. Tugas akhir ini lebih fokus pada spesimen FRP. Maka, dalam bab pembahasan ini material lain tidak diperhatikan.
Untuk  memperjelas  keterangan Gambar 1 ,  maka  dicantumkanlah  gambar  formasi konfigurasi lubang baut untuk 2 lubang baut seperti dapat dilihat pada Gambar 3.a , untuk 4  lubang  baut seperti dapat  dilihat  pada Gambar  3.b ,  dan  untuk  5  lubang  baut seperti dapat dilihat pada Gambar 3.c . Dimensi pelat FRP adalah panjang = 400 mm, lebar = 100 mm, dan tebal = 9 mm.
4.a Simpulan Dan Saran Pembahasan dan Analisis Hasil Pemodelan solid 3D dan Simulasi beban Mulai
Pengumpulan Data:  Geometri  Material  Operasional Selesai Tinjauan Pustaka Identifikasi Masalah

## 4.b

## 4.c
Gambar 4.a Letak lubang baut pada konfigurasi 2 lubang baut pada pelat FRP. Gambar 4.b Letak lubang baut pada konfigurasi 4 lubang bautpada pelat FRP. Gambar 4.c Letak lubang baut pada konfigurasi 5 lubang bautpada pelat FRP.
Peningkatan konsentrasi tegangan pada setiap konfigurasi lubang baut dianalisis pada step ke-10  pada  daerah  lubang  baut.  Untuk konfigurasi  2  lubang  baut kontur  tegangan  normal pelat dapat dilihat pada Gambar 5 .
Gambar 5. Kontur tegangan normal pada konfigurasi 2 lubang baut.
Berdasarkan  peningkatan  kontur  tegangan  tersebut,  terjadi tegangan  tekan  (warna biru), dan tegangan tarik (warna merah &warna kuning). Besar persentase peningkatan tegangan berdasarkan uji numerik dapat dilihat pada Tabel 1 .
Tabel 1. ResumeNilai Konsentrasi Tegangan Normal untuk Konfigurasi 2 Lubang Baut
Konfigurasi 2 Lubang Baut Nomor Lubang Baut Tegangan Rata-rata (%) Sebaran Tegangan Jenis Tegangan Lubang Baut 1 56,11 ± 1/2 lubang tegangan tekan 34,58 < 1/4 lubang tegangantarik 30,25 < 1/4 lubang tegangantarik Lubang Baut 2 54,81 ± 1/2 lubang tegangantekan 31,19 < 1/4 lubang tegangantarik 35,75 < 1/4 lubang tegangantarik
Untuk tegangan geser yang terjadi pada konfigurasi 2 lubang baut pada step ke-10 kontur tegangan geser pelat FRP dapat dilihat pada Gambar 6.
Gambar 6. Kontur tegangan geser pada konfigurasi 2 lubang baut.
Pada Gambar 6 terlihat  peningkatan  kontur  tegangan  geser.  Pada  penelitian  Adi,  W. (2012),  diketahui bahwa kuat  geser  FRP  sebesar  40  MPa.  Maka  pada  uji  numerik  ANSYS versi  14,  diperoleh  tegangan  geser  40  MPa  terjadi  pada    step  ke-3  dengan  gaya  sebesar 21,42 kN untuk konfigurasi 2 lubang baut.
Untuk  konfigurasi  4  lubang  baut,  peningkatan  kontur  tegangan normal dapat  dilihat  pada Gambar 7 dibawah ini.
Gambar 7. Kontur tegangan normal pada konfigurasi 4 lubang baut.
Berdasarkan Gambar 7 , persentase konsentrasi tegangan normal untuk baut ke-1 sampai baut ke-4 dapat dilihat pada Tabel 2 dibawah ini.
Tabel 2.ResumeNilai Konsentrasi Tegangan Normal untuk Konfigurasi 4 Lubang Baut
Konfigurasi 4 Lubang Baut Nomor Lubang Baut Tegangan Rata-rata (%) Sebaran Tegangan Jenis Tegangan Lubang Baut 1 34,07 < 1/2 lubang tegangan tekan 16,7 < 1/16 lubang tegangan tarik Lubang Baut 2 33,54 ± 1/4 lubang tegangan tekan 25,69 ± 1/16 lubang tegangan tarik Lubang Baut 3 49,88 ˃ 1/2 lubang tegangan tekan 39,36 ± 1/4 lubang tegangan tarik 37,51 ˃ 1/4 lubang tegangan tarik Lubang Baut 4 44,46 ± 1/2 lubang tegangan tekan 36,98 ± 1/4 lubang tegangan tarik 38,93 ± 1/4 lubang tegangan tarik
Sedangkan untuk tegangan geser pada konfigurasi 4 lubang baut, peningkatan tegangannya dapat dilihat pada Gambar 8 dibawah ini.
Gambar 8. Kontur tegangan geser pada konfigurasi 4 lubang baut.
Berdasarkan Gambar 8 , kuat geser FRP 40 MPa terjadi pada step ke-2 dengan gaya sebesar 35,082 kN untuk konfigurasi 4 lubang baut.
Sama  halnya  dengan  konfigurasi  2  dan  4  lubang  baut,  untuk  konfigurasi  5  lubang  baut, peningkatan konsentrasi tegangan normalnya dapat dilihat pada Gambar 9 .
Gambar 9. Kontur tegangan normal pada konfigurasi 5 lubang baut.
Sedangkan untuk konsentrasi tegangan normal yang terjadi pada konfigurasi 5 lubang baut dapat dilihat pada Tabel 3 .

## Tabel 3.ResumeNilai Konsentrasi Tegangan Normal untuk Konfigurasi 5 Lubang Baut
Konfigurasi 5 Lubang Baut Nomor Lubang Baut Tegangan Rata-rata (%) Sebaran Tegangan Jenis Tegangan Lubang Baut 1 42,38 ˃ 1/2 lubang tegangan tekan 64,44 < 1/16 lubang tegangantarik Lubang Baut 2 44,34 ˃ 1/2 lubang tegangan tekan 65,76 < 1/16 lubang tegangantarik Lubang Baut 3 43,94 ˃ 1/2 lubang tegangan tekan 30,06 ± 1/6 lubang tegangantarik Lubang Baut 4 68,70 ˃ 1/4 lubang tegangan tekan 28,34 ± 1/4 lubang tegangantarik 33,36 ˃ 1/4 lubang tegangantarik Lubang Baut 5 76,52 ˃ 1/2 lubang tegangan tekan 32,59 ± 1/4 lubang tegangantarik 29,67 < 1/4 lubang tegangantarik
Sementara itu, peningkatan kontur tegangan geser untuk konfigurasi lubang baut terakhir, tampak pada Gambar 10 dibawah ini.
Gambar 10. Kontur tegangan geser pada konfigurasi 5 lubang baut.
Berdasarkan Gambar 10 diatas,  kuat  geser  FRP  sebesar  40  MPa,  terjadi  pada  step  ke-2 dengan gaya sebesar 32,58 kN untuk kofigurasi 5 lubang baut.
Dari analisis peningkatan kontur tegangan normal, dapat disimpulkan bahwa, tegangan yang mendominasi ialah tegangan tekan, dengan nilai tegangan terbesar 76,52 MPa. Sedangkan untuk gaya yang mengalami kuat geser FRP terbesar ialah 35,082 kN. Sesuai dengan tujuan penelitian, analisis selanjutnya mengenai perbandingan gaya (kN) terhadap deformasi (mm) pada  uji  numerik  dan  uji  eksperimental.  Berikut  grafik  gaya  terhadap  deformasi  untuk konfigurasi 2 lubang baut ( Gambar 11 ).
Gambar11. Grafik gaya terhadap deformasi untuk konfigurasi 2 lubang baut.
Pada Gambar 11 ,  terlihat  bahwa garis  linier  uji  ANSYS  (garis warna merah)  hampir mendekati garis linier uji eksperimental (garis warna hijau), dengan persentase perbedaan sekitar 5%. Selanjutnya untuk konfigurasi 4 lubang baut, dapat dilihat pada Gambar 11 .
Gambar12. Grafik gaya terhadap deformasi untuk konfigurasi 4 lubang baut.
Berbeda  dengan  konfigurasi  2  lubang  baut,  pada  konfigurasi  4  lubang  baut  ini,  analisis menggunakan ANSYS menunjukkan persentase perbedaan yang lebih besar sekitar 12% dari uji eksperimental. Perbandingan yang terakhir untuk konfigurasi 5 lubang baut dapat dilihat pada Gambar 13 dibawah ini.
Gambar13. Grafik gaya terhadap deformasi untuk konfigurasi 5 lubang baut.
0 20 40 60 80 100 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Gay a [k N ] Deformasi [mm] UJI ANSYS UJI LAB 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 -0, 6 -0, 4 -0, 2 -1E -15 0, 2 0, 4 0, 6 0, 8 1 1, 2 1, 4 1, 6 1, 8 2 2, 2 2, 4 2, 6 2, 8 Gay a [k N ] Deformasi [mm] UJI ANSYS UJI LAB 0 50 100 150 200 00,20,40,60,811,21,41,61,822,22,4 Gay a [k N ] Deformasi [mm] UJI LAB UJI ANSYS
Persentase  perbedaan  untuk  konfigurasi  5  lubang  baut  lebih  kecil  dibandingkan  dengan konfigurasi  4  lubang  baut,  yakni  sebesar  10%.  Berdasarkan perbandingan  hasil  tersebut, dapat disimpulkan bahwa, konfigurasi 2 lubang baut memiliki perbedaan paling kecil, yakni 5% terhadap uji eksperimental.

## 5. KESIMPULAN
Berdasarkan  analisis peningkatan  kosentrasi  tegangan  dan  perbandingan  gaya  terhadap deformasi pada  uji  numerik  dan  uji  eksperimental , maka  dapat  ditarik kesimpulan  sebagai berikut:
1. Distribusi  tegangan  untuk  konfigurasi  2  lubang  baut  memiliki  nilai  tegangan  tekan yang  paling  besar  yaitu,  56,11%,  dengan  luas  sebaran ±  1/2 lubang,  sedangkan untuk tegangan tarik yang paling besar yaitu, 35,75% dengan luas sebarannya < 1/4 lubang.
2. Distribusi  tegangan  untuk  konfigurasi  4  lubang  baut  memiliki  nilai  tegangan  tekan dan tarik yang paling besar, sebesar 49,88% dengan luas sebaran > 1/2 lubang, dan 39,36% dengan luas sebaran ± 1/4 lubang.
3. Distribusi  tegangan  untuk  konfigurasi  5  lubang  baut  memiliki  nilai  tegangan  tekan dan tarik yang paling besar, sebesar 76,52% dengan luas sebaran > 1/2 lubang, dan 39,36% dengan luas sebaran ± 1/4 lubang.
4. Kuat  geser  FRP  sebesar  40  MPa  terjadi  pada  gaya  21,42  kN  untuk  konfigurasi  2 lubang  baut,  35,082  kN  untuk  konfigurasi  4  lubang  baut,  dan  32,58  kN  untuk konfigurasi 5 lubang baut.
5. Berdasarkan  grafik  perbandingan  gaya  terhadap  deformasi/ stroke ,  hasil  pemodelan menggunakan ANSYS versi 14 sesuai dengan literatur oleh Park, JS (2009). Dengan persentase perbedaan untuk konfigurasi 2 lubang baut 5%, 15% untuk konfigurasi 4 lubang baut, dan 10% untuk konfigurasi 5 lubang baut.

## DAFTAR RUJUKAN
WinarputroAdi. (2012). Teknologi Jembatan Sementara Berbahan Dasar Material Komposit , Puslitbang Jalan dan Jembatan.
Park, JS (2009). Experimental and Analytical Investigations on The Bolted Joints in Pultruded FRP Structural Member . APFIS-Korea. Thomas  Keller. (2003). Use  of  Fibre  Reinforced  Polymers  in  Bridge  Construction. Fiberline Composites A/S . Effendy, E.H. (2004). Analisa Kekuatan dan Tegangan  Thresher  Arm  Pada Kondisi Statis Menggunakan Metode Elemen Hingga ,        Jakarta:        Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Indonesia.