penyederhanaan masalah tegangan kontak tumpu baut

analisa nonlinear material & geometri yaitu plastisitas, kontak beserta large deformation/stability membutuhkan resource komputer yg besar jika semua member & connection dimodelkan bersamaan. pada analisa secara manual interaksi ini diabaikan, ditinjau tiap komponen sambungannya saja. misal untuk pelat gusset dengan baut sentris gaya diasumsikan merata sama tidap bautnya, interaksi akibat eksentrisitas profil penampang dengan pelat gusset diwakilkan dengan faktor shear lag, dan penyederhanaan lainnya. ditinjau contoh sederhana dari verifikasi atau perbandingan sofware CBFEM dengan peraturan baja Kanada CISC

.

.

*catatan: lubang baut dia. 18mm, pelat tebal 5mm

.

dibawah adalah tampilan dari output program Idea Statica Steel (2019) dari dokumen rujukan online,

.

.

.

.

(sumber: Idea Statica Steel, 2019)

.

berikut, meshing & boundary condition yg sya terapkan. beban terpusat resultan (149kN) ditentukan berdasarkan cosine bekerja pada titik pusat baut dan dihubungkan dengan rigid links, bagian bidang kontak menerima 1/4 luasan melingkar. bagian yg bertemu dengan profil balok/kolom diasumsikan tertahan translasi semua arah, material nonlinear disederhanakan jenis mendekati elasto-plastis ideal. menggunakan elemen jenis element tetrahedral quadratic tujuan kecepatan otomatisasi, untuk analisa ini membutuhkan waktu sekitar 30 kali analisa elastis linear biasa yg mana waktu penyelesain analisa elastis linear hanya cukup beberapa detik saja running.

.

.

.

.

tegangan leleh kriteria von Mises, tahap incremental beban.

.

.

.

.

regangan plastis equivalen, tahap incremental beban.

.

.

.

.

.

terlihat walau distribusi tegangan leleh sudah menyebar setebal pelat dan juga membentuk pola leleh (yield pattern) lajur blok tahanan geser (shear block resistance) namun masih dibawah tahanan nominal rujukan peraturan baja Kanada (CISC) dengan selisih sebesar 0.94 yg mana jika melihat hasil analisa FEA keadaan regangan plastis pada nilai 3.6% (P=149kN) sampai 5.4% (P=159kN).

.

.

.

penyederhanaan pemodelan diatas cukup cepat namun untuk kondisi beban sentris, perlu menyesuaikan lain jika beban adalah eksentris. cara lain yg biasa yg digunakan adalah modeling dengan jenis analisa kontak namun baut dibuat rigid body sehingga konvergensi software FE akan dicapai jauh lebih cepat dibanding model yg memperhitungkan kekakuan baut yg non-rigid.

.

.

(sumber: Idea Statica, 2019)

contoh lain perbandingan diatas adalah sambungan splice plate balok baja dari dokumentasi sumber yg sama online. diterapkan gaya tiap lubang baut sebesar 94.5kN nilai kondisi mendekati kuat nominal tumpu baut.

.

.

.

.

.

.

.

regangan plastis equivalen menunjukan pada nilai sampai ~6% namun jalur garis leleh yg menjadikan kegagalan pelat sambung belum menerus.

.

.

diatas adalah tinjauan geser pada profil W200x46 separuh model, beban ditingkatkan 20% lebih besar dari sebelumnya karena flens sedikit lebih tebal dari splice plate dan juga adanya tahanan webs, diterapkan gaya tiap lubang baut sebesar 113.4kN nilai kondisi mendekati kuat nominal tumpu baut.

.

.

.

.

.

.

.

regangan plastis equivalen menunjukan pada nilai sampai ~7% namun jalur garis leleh yg menjadikan kegagalan flens profil belum menerus.

.

.

terlihat cukup cepat modeling & running metode tinjauan terpisah beserta penyederhanaannya, hanya membutuhkan beberapa menit saja (dominasi kebutuhan waktu untuk modeling pada software CAD) namun hasilnya sudah cukup mewakilkan sebagai gambaran pendekatan perilakunya, analisa stabilitas nonlinear (large deformation with plasticity) misal pada gusset plate akibat tekan juga dapat ditinjau cepat secara explicitly dengan beban eksentris minimum untuk representasi ketidak sempurnaan geometri elemen pelat.

.

.

tinjauan stabilitas pelat gusset akibat beban tekan, diterapkan beban eksentris yg bergeser sebesar L/1000 panjang elemen arah kerja gaya, deformasi lateral yg terjadi sebesar ~48% tebal pelat dengan artian pelat gusset masih stabil terhadap beban tekan yg terjadi dimana nilainya sya terapkan samadengan beban tarik dengan tanda terbalik. analisa stabilitas nonlinear sangat sensitif tehadap ketidak sempurnaan geometri & beban, saat sya terapkan eksentris beban sebesar L/500 solver running cukup lama kemungkinan besar gagal mencapai konvergensi karena pelat tertekuk berdeformasi lateral yg besar berlebih. perlu dicoba ditambahkan model pelat pengaku sebagai perbandingan.

.

.

.

.

.

mencoba dengan ekentrisitas beban L/750 namun solver belum berhasil, sya menambahkan pelat pengaku seperti berikut, eksentrisitas beban yg digunakan sebesar L/500 dan dimensi pelat pengaku 30x137x3mm. solver berjalan cukup cepat, defleksi lateral juga tereduksi secara drastis yg dapat diartikan pelat gusset ini jauh lebih stabil dibanding sebelumnya tanpa pelat pengaku.

.

.

.

.

setelah dianalisa ulang modifikasi, pelat pengaku dapat ditepatkan cukup satu sisi saja tinjauan untuk kemudahan pelaksanaan lapangan.

.

.

.

contoh lain dari perbandingan hasil test lab, pada  model FE sya beban ultimit tekan diterapkan sebesar 300kN. material disederhanakan mendekati elasto-plastis ideal, ketebalan dibulatkan menjadi 13mm dari aktualnya 13.3mm. hasil uji labs dari pustaka bervariasi tergantung kekakuan splice plate & batang penyambungnya, bernilai 298kN untuk jenis splice plate dan 860kN untuk WT&plate. 

.

(sumber: Cheng etal, 2014)
.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

dibawah adalah contoh lain pelat gusset yg menerima beban eksentris, model adanya kontak dengan baut namun diterapkan rigid body untuk penyederhanaan & kecepatan analisa.  

.

.

.

.

.

.

terlihat hasil baut sisi kiri bagian tengah kurang efektif menerima beban, perlu perbandingan lanjut dengan analisa interaksi keseluruhan yg memperhitungkan kekakuan bautnya.

.

.

contoh lain perbandingan dengan output program CBFEM seperti gambar dibawah rujukan online, tebal pelat tidak dijelaskan karena yg ditinjau adalah kekuatan baut tehadap perhitungan manual CISC. disini saya gunakan setebal flens kolom HEB240 yaitu sebesar 17mm.

.

.

.
(sumber: Idea Statica Steel,2019)
.

.

.

.

.

dibawah adalah tampilan hasil tegangan leleh kriteria von Mises, ada yg sedikit berbeda dibandingkan dengan hasil Idea Statica yaitu pada daerah baut nomer 5 &7 walau tabel hasil menunjukan sudah sesuai daerah tersebut adalah gaya baut terkecil.

.

.

arah pergerakan dan intensitas gaya pada baut dapat dilihat dari tampilan deformasi yg diperbesar skalanya dan juga hasil tegangan prinsipal/utama tekan.

.
.

.

berikut perbandingan lain, kondisi mengabaikan eksentrisitas beban

.

.

.
(sumber: Idea Statica, 2019)
.

.

.

.

terlihat hasi regangan plastis equivalen lebih besar ~60% dibanding metode CBFEM, nilai 0.3% berbanding 0.97% menyesuaikan.

.

.

.

.

.

dari banyak tinjauan model penyederhanaan diatas terlihat cukup cepat untuk tujuan review dan cukup mewakilkan perilaku pendekatan aktualnya, model dengan baut rigid body lebih akurat dibanding model dengan penentuan resultan gaya. dapat memodelkan kondisi beban exsentis juga, kepala baut sebaiknya ikut dimodelkan untuk tambahan pengaruh pengekangan akibat aksi clamping pergerakan baut area tersebut dan juga sedikit gaya prategang akibat proses pengencangan baut dilapangan.