## PENGARUH BENTUK BUKAAN TERHADAP KEKUATAN DAN GETARAN BALOK
Sunardi 1,* , Erny Listijorini 2 , Raimundus Sandro 3 1,2,3 Jurusan Teknik Mesin Universitas Sultan Ageng Tirtayasa, Jl. Jenderal Sudirman KM 03 Cilegon 42435
* E-mail: sunardi@untirta.ac.id
Diterima: 16-10-2018 Direvisi: 19-11-2018 Disetujui: 01-12-2018

## ABSTRAK
Balok banyak digunakan dalam struktur bangunan dan mekanikal. Karakteristik balok harus mampu menjawab persoalan  di  lapangan.  Beberapa  tahun  terakhir,  dilakukan  rekayasa  untuk  memperoleh  kompromi  antara kekakuan dan bobot balok, artinya kekakuan meningkat tetapi bobot tetap ringan. Desain balok dibuat memiliki bukaan yang dapat menurunkan bobotnya. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah eksperimen dan simulasi FEM. Bentuk bukaan pada balok berupa lingkaran, persegi dan belah ketupat dengan mempertahankan bobot  balok  tetap  sama.  Pengujian  lentur  balok  yang  digunakan  adalah  metode  three  point  bending  dengan output  tegangan  dan  defleksi.  Output  pengujian  getaran  adalah  frekuensi  dan  konstanta  redaman.  Untuk menghitung konstanta redaman digunakan metode logarithmic decrement method . Dari hasil penelitian diketahui bahwa  dimensi  dan  geometris  bukaan  balok  memiliki  pengaruh  terhadap  kekuatan  dan  perilaku  getarannya. Bukaan  balok  dengan  bentuk  lingkaran  memiliki  tegangan  dan  defleksi  paling  kecil  dalam  setiap  kondisi pembebanan.  Frekuensi  dan  konstanta  redaman  balok  tertinggi  terjadi  pada  bukaan  belah  ketupat,  masing- masing 1.681 Hz dan 84,88 kg/s.
Kata kunci: dimensi, bentuk, sel, kekuatan, getaran, redaman

## ABSTRACT
Beam is widely used for building and mechanical structure. The beam characteristics must be able to answer the problem in field. In recent years, beam was made which compromised between stiffness and weight of beam. The beam has high stiffness but remains light. Beam was designed with opening (cellular) that can reduce its weight. The method used in this research was experimental and simulation with FEM. Geometric of cellular in this beam is a circle, square and rhombus by maintaining the same beam weight.  The bending testing used is three-point bending method which is indicated stress and deflection. Output of vibration testing is frequency and damping constant. Damping constant is calculated by logarithmic decrement method. Research data show that dimension and geometric of beam cellular affect the strength and behavior of vibration significantly. Circular opening have the  smallest  stress  and  deflection  in  all  conditions.  The  highest  frequency  and  damping  constant  occur  in rhombic opening 1.681 Hz and 84,88 kg/s respectively.
Keywords : dimension, geometric, cellular, strength, frequency, damping

## 1. PENDAHULUAN
Perkembangan  ilmu  pengetahuan  dan teknologi  yang  semakin  maju  menuntut seorang  insinyur  harus  mampu  mendesain sebuah  struktur  yang  kompleks.  Penggunaan profil  baja  pada  struktur  bangunan  bertingkat
yang  terdiri  dari  balok  dan girder akan menyulitkan  pemasangan  pipa  dan ducting . Hal  ini  disebabkan  oleh  struktur  baja  tersebut berupa  struktur  padat.  Untuk  mengatasi masalah  tersebut  maka  dikembangkan  struktur baja dengan sistem bukaan.

## SINTEK JURNAL: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
ISSN: 2088-9038, e-ISSN: 2549-9645
Homepage: http://jurnal.umj.ac.id/index.php/sintek
Ada  beberapa  keuntungan  struktur  baja dengan  bukaan  antara  lain  memudahkan pelayanan  dan  pemeliharaan  instalasi  secara berkala  dalam  jangka  waktu  yang  lama.  Ada beberapa  jenis  dari  balok  baja  dengan  bukaan di  bagian  badan  profil  baja  yaitu castellated beams dengan  bukaan hexagonal dan cellular beam dengan  bukaan  lingkaran, beam dengan bukaan  bujur  sangkar,  belah  ketupat  dan sinusoidal beam.
Pada  balok  baja  dengan  bukaan  pada bagian profil tentu memiliki distribusi tegangan  dan  perilaku  getaran  yang  berbeda. Penggunaan  balok  baja  dengan  berbagai  jenis bukaan  mengalami  peningkatan  yang  cukup signifikan.  Pada  tulisan  ini  akan  dibahas perilaku mekanis dan getaran pada balok yang memiliki  bukaan  berbentuk  lingkaran,  bujur sangkar  dan  belah  ketupat  serta  perilaku getarannya. Pembahasan masalah ini berdasarkan  data  eksperimental  dan  simulasi finite element method (FEM).
Castellated  beam atau cellular  beam menjadi  pilihan  saat  ini  karena  memiliki tingkat  kekakuan  yang  lebih  tinggi  dengan bobot  balok  yang  sama.  Kekakuan  balok dipengaruhi  oleh  kedalaman  balok,  karena kekakuan  berkaitan  langsung  dengan  momen inersia  penampang  [1,2].  Sunardi telah melakukan  penelitian  tentang  pengaruh  jarak antar  sel  terhadap  kekuatan  dan  karakteristik getaran  yang  ditimbulkannya.  Dari  riset  ini diketahui  bahwa semakin  dekat jarak  antar  sel maka  kekakuan  balok  akan  menurun.  Bentuk bukaan  balok  yang  berbentuk  lingkaran memiliki konsentrasi tegangan yang lebih kecil jika dibandingkan dengan bentuk belah ketupat dan persegi [3].
Bukaan atau lubang yang terdapat dalam material akan menyebabkan terjadinya konsentrasi  tegangan.  Arshadnejad [4] elah melakukan  penelitian  tentang  pengaruh  jarak spasi dan diameter terhadap distribusi konsentrasi  tegangan  dan  faktor  konsentrasi tegangan.  Dari  riset  ini  diketahui  bahwa distribusi konsentrasi tegangan akan berkurang seiring  semakin  jauh  dari  pusat  lingkaran. Dengan  menggunakan finite  element  analysis (FEA) dapat  ditentukan  faktor  konsentrasi tegangan antara dua lingkaran yang bersebelahan [4,5]. Faktor konsentrasi
tegangan  merupakan  fungsi  rasio  diameter lubang  dan  lebar  balok.  Semakin  besar  rasio d/w  maka  semakin  kecil  faktor  konsentrasi tegangannya.  Lubang  dengan  diameter  yang mendekati lebar balok maka faktor konsentrasi tegangan mendekati nilai 2, [6].
Dimensi  bukaan  sel  memiliki  pengaruh terhadap  kekuatan  balok.  Semakin  besar diameter  bukaan  pada  balok  maka  tegangan dan  defleksi  akan  meningkat  [7].  Hal  ini mengindikasikan  bahwa  pengurangan  volume balok  menurunkan  kekuatannya  karena  luasan yang menahan beban mengalami pengurangan. Dengan  demikian  maka  tegangan  yang  terjadi menjadi besar.

## 2. METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  menggunakan  metode ekperimental  simulasi  FEM.  Data  yang diperoleh  dari  hasil  pengujian  dan  simulasi kemudian diolah dan dianalisis.

## Material
Bahan  yang  digunakan  dalam  riset  ini adalah  aluminum  Al6063  dengan  paduan utama magnesium dan silicon. Kadar aluminium  sebesar  95,85-98,56%,  modulus elastisitas 69 GPa dan densitas 2,70 g/cm 3 .

## Preparasi Sampel
Ukuran  sampel  adalah  480  x  50  x  10 mm  sebanyak  6  buah  dihaluskan  dengan amplas agar untuk menghindari initial cracking saat pengujian lentur.
Gambar 1. Bentuk  bukaan  balok  (a)  lingkaran, C,  (b)  persegi,  S  dan  (c)  belah ketupat, R.
Setiap  batang  balok  diberikan  bukaan berupa  lingkaran,  persegi  dan  belah  ketupat dengan dimensi yang berbeda-beda.
Pengurangan  berat  balok  dipertahankan  sama pada  semua  bukaan.  Data  pengujian  yang diperoleh  dalam  riset  ini  adalah  tegangan,
defleksi,  frekuensi  dan  konstanta  damping balok.

## Persiapan Pengujian
Set  up  peralatan  yang  digunakan  untuk pengujian lentur dengan menggunakan metode three  point  bending.  Detail  peralatan  yang digunakan  antara  lain:  load  cell,  strain  gauge, displacement  transducer  dan  data  logger  yang disusun seperti ditunjukkan pada Gambar 2.
Dari  pengujian  ini  diperoleh  data tegangan,  regangan  dan  defleksi.  Sedangkan dari pengujian getaran diperoleh frekuensi dan konstanta redaman.
Ket:  (1) load  cell ,  (2)  balok  uji,  (3) strain gauge ,  (4) displacement  transducer ,  (5) data logger
Gambar 2. Set up peralatan uji bending
Ket: (1) beban, (2) balok uji, (3) strain gauge ,
(4) dynamic strain recoder , (5) laptop
Gambar 3. Set up peralatan uji getaran
Gambar 4 .  Pemasangan strain gauge pada balok

## 2. HASIL DAN PEMBAHASAN
Korelasi  antara  Bentuk  Bukaan  dan Kekuatan Lentur Balok
Tegangan balok sangat dipengaruhi oleh dimensi  maupun  geometris  bukaan  baloknya. Konsentrasi  tegangan  pada  balok  dapat disebabkan  oleh  perubahan  dimensi  maupun bentuk  bukaan  balok.  Diskontinuitas  balok mengakibatkan  terjadinya  distribusi  tegangan yang  tidak  merata  sepanjang  balok.  Tegangan pada  daerah  diskontinuitas  lebih  tinggi daripada tegangan rata-rata balok.
Dari  riset  ini  juga  diketahui  bahwa geometris  bukaan  balok  memiliki  pengaruh yang  signifikan  terhadap  kekuatan  lentur  dan getarannya.  Bukaan  yang  berbentuk  belah ketupat memiliki kekuatan lentur terendah jika dibandingkan  dengan  bukaan  persegi  ataupun lingkaran.  Penurunan  kekuatan  lentur  yang cukup  besar  pada  bukaan  belah  ketupat disebabkan konsentrasi tegangan yang terpusat di  sudut  bukaan  dan  jarak  yang  terpendek dengan sisi luar balok (Gambar 5). Kondisi ini tentu akan memperlemah kekuatan balok.
Gambar 5. Korelasi  antara  tegangan  dan  bentuk bukaan balok (a) 20 mm, (b) 26 mm
0 5 10 15 20 25 30 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 T eg anga n, MP a Beban, kgf C-20 S-20 R-20 0 5 10 15 20 25 30 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 T eg anga n , MP a Beban, kgf C-26
S-26 R-26
Dari  berbagai  bukaan  balok  baik  pada bukaan  dimensi  20  mm  dan  26  mm  memiliki fenomena  yang  sama  yaitu  semakin  besar beban  yang  diberikan  maka  semakin  tinggi tegangan yang dialami oleh balok. Dari data ini juga  dketahui  bahwa  rata-rata  penurunan kekuatan balok pada bukaan lingkaran sebesar 4,26%,  persegi  3,73%  dan  belah  ketupat sebesar  15,15%.  Penurunan  kekuatan  pada bukaan balok belah ketupat yang sangat tinggi memberikan petunjuk bahwa pusat konsentrasi tegangan  yang  mendekati  titik  terluar  balok sangat berbahaya.
Gambar 6. Distribusi  konsentrasi  tegangan  pada berbagai bukaan balok

## Korelasi  antara  Bentuk  Bukaan  Balok  dan Defleksi
Defleksi  merupakan  indikasi  kekakuan balok.  Artinya  semakin  besar  nilai  defleksi balok  maka  kekakuannya  semakin  rendah. Gambar  6  menunjukkan  bahwa  nilai  defleksi sebanding  dengan  beban  yang  diterima  balok. Semakin besar beban pada balok maka defleksi yang  terjadi  juga  semakin  besar.  Kondisi  ini hanya  berlaku  selama  batas  elastisitas  belum terlampaui.
Defleksi  balok  terbesar  terjadi  pada bukaan  belah  ketupat  disusul  persegi  dan lingkaran.  Nilai  defleksi  ini  sebanding  dengan tegangan  balok  seperti  yang  sudah  dibahas sebelumnya.
Gambar 7. Korelasi  antara  defleksi  dan  bentuk bukaan  balok  (a)  dimensi  20mm,  (b) 26 mm Yang menarik adalah persentase perubahan  defleksi  yang  disebabkan  oleh dimensinya baik pada bukaan balok berbentuk lingkaran,  persegi  dan  belah  ketupat.  Pada bukaan  berbentuk  lingkaran  dengan  diameter 20  mm  menjadi  26  mm  menunjukkan perubahan  terbesar  rata-rata  18,00%,  persegi 11,56%  dan  belah  ketupat  10,08%.  Hal  ini menunjukkan  bahwa  ketika  pembebanan terjadi,  bukaan  berbentuk  lingkaran  mampu mendistribusikan  gaya  relatif  merata  ke sepanjang balok.
Gambar 8. Perubahan  besaran  defleksi  balok pada  berbagai  dimensi  dan  bentuk bukaan balok.

## Karakteristik Getaran Balok
Frekuensi  berkaitan  dengan  kekakuan dan massa balok. Nilai frekuensi getaran balok meningkat  seiring  dengan  kekakuan  dan berbanding  terbalik  terhadap  berat  balok. Gambar  8  menunjukkan  nilai  frekuensi  balok pada dimensi bukaan 20 dan 26 mm.
- 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Def lek si, m m Beban, kgf C-20 S-20
R-20
- 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Defle k si, m m Beban, kgf C-26 S-26
R-26
Gambar 9. Korelasi  antara  bentuk  dan  bukaan dan frekuensi balok.
Frekuensi  alami  dan  konstanta  redaman merupakan  karakter  penting  sebuah  balok. Dalam  aplikasinya,  balok  akan  mengalami berbagai  benturan  ataupun  guncangan  dari gaya  luar.  Untuk  itu  diperlukan  kemampuan untuk  segera  meredam  getaran  tersebut  agar tidak menimbulkan kerusakan pada komponen lain karena pembeban dinamis yang terjadi.
Frekuensi  balok  tertinggi  terjadi  pada bukaan belah ketupat. Hal ini disebabkan oleh konsentrasi tegangan yang terjadi pada bukaan ini paling besar. Seperti yang diketahui bahwa frekuensi alami balok berbanding lurus dengan kekakuan  balok.  Sedangkan  pada  tinjauan tegangan  sebelumnya  menunjukkan  bahwa bukaan  dengan  bentuk  belah  ketupat  memiliki tegangan terbesar.
Gambar 10. Korelasi  antara  bentuk  dan  bukaan dan konstanta redaman
Perubahan  ukuran  bukaan  balok  juga berpengaruh  terhadap  frekuensinya.  Semakin besar  ukuran  bukaan  balok  maka  semakin tinggi  pula  frekuensinya.  Hal  ini  disebabkan oleh semakin tingginya tegangan yang dialami
balok  yang  memiliki  bukaan  semakin  besar ketika terjadi pembebanan.
Konstanta redaman menunjukkan respon material saat menerima eksitasi gaya luar yang bekerja  pada  balok.  Dari  Gambar  9  dapat diketahui  jika  balok  dengan  bukaan  berupa belah  ketupat  memiliki  konstanta  redaman yang  tertinggi.  Konstanta  redaman  pada bukaan balok ketupat pun juga akan meningkat seiring  dengan  semakin  besarnya  luasan bukaannya.
Besaran  konstanta  redaman  meningkat seiring  dengan  tegangan  balok.  Tegangan balok  yang  tinggi  pada  bukaan  belah  ketupat menunjukkan  adanya  konsentrasi  tegangan yang  tinggi  pula  sehingga  berpengaruh terhadap konstanta redaman yang terjadi.

## 4. KESIMPULAN
Dari  uraian  ini  dapat  disimpulkan sebagai berikut:
 Bentuk  dan  dimensi  bukaan  balok  sangat berpengaruh  terhadap  kekuatan,  kekakuan dan perilaku getaran balok.
 Bukaan  pada  balok  dapat  menyebabkan terjadinya konsentrasi tegangan yang berpengaruh terhadap kekuatan dan karakteristik getarannya.
 Bukaan yang berbentuk lingkaran memiliki perilaku  mekanis  dan  getaran  yang  lebih baik  jika  dibandingkan  dengan  persegi ataupun belah ketupat.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian ini  dibiayai dari pagu anggaran  Universitas  Sultan  Ageng  Tirtayasa. Untuk  itu  penulis  mengucapkan  terimakasih kepada  LPPM  Untirta  dan  Fakultas  Teknik Untirta yang telah memfasilitasi penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] S.  Syaikh  and  H.  R.  Aher, “Structural Analysis  of  Castellated  Beam,” Int.  J.  Recent Technol. Mech. Electr. Eng., vol. 2, no. 6, pp. 81–84, 2015.
[2] S.  Shaikh  and  P.  B.  Autade, “Structural Analysis  and  Design  of  Castellated  Beam  in Cantilever Action,” Int. Res. J. Eng. Technol., vol. 3, no. 8, pp. 163–170, 2016.
Circle Square Rhombus 20 mm 1.280 1.156 1.388 26 mm 1.595 1.399 1.681 - 500 1.000 1.500 2.000 Frekuensi, Hz Circle Square Rhombus
20 mm 61,07 51,21 67,65 26 mm 77,31 64,99 84,88 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 K on sta n ta Red am an , k g/ s
[3] Sunardi,  E.  Listijorini,  and  M.  Sahroni, “Pengaruh  Jarak  Sel  Bukaan  Balok  Terhadap Kekuatan Material dan Karakteristik Getaran,”
Mach.  J.  Tek.  Mesin,  vol.  2,  no.  2,  pp.  8–12, 2016.
[4] S.  Arshadnejad,  K.  Goshtasbi,  and  J. Aghazadeh, “Stress  Concentration  Analysis Between  Two  Neighboring  Circular  Holes
Under  Internal  Pressure  of  a  Non-explosive Expansion Material,” J. Earth Sci. Appl. Res. Cent. Hacettepe Univ., vol. 30, no. 3, pp. 259– 270, 2009.
[5] N.  K.  Jain,  “Analysis  of  Stress  Concentration and  Deflection  in  Isotropic  and  Orthotropic Rectangular Plates with Central Circular Hole under  Transverse  Static  Loading,”  World Acad.  Sci.  Eng.  Technol.,  vol.  3,  no.  12,  pp.
1513–1519, 2009.
[6] A.M.  Wahl,  R.  Beeuwkes,  and  E.  Pittsburgh, “Stress  Concentration  Produced  by  Holes  and Notches,” Trans. Am. Soc. Mech. Eng.
[7] Sunardi, I. Setiawan, and Sofanudin,
“Karakteristik Kekuatan Cellular Beam
Dengan  Variasi  Diamater  Sel,”  in  Seminar Nasional  Mesin  dan  Teknologi  Kejuruan (SNMTK), 2013, pp. 73–78.