Tujuan Umum:
- Mahasiswa memahami stabilitas struktur baja
- Mahasiswa memahami Kekuatan ultimit dan kekuatan nominal baja
- Mahasiswa memahami Perancangan kekuatan baja
- Mahasiswa memahami Konsep ASD dan LRFD
- Mahasiswa memahami pembebanan struktur baja
1. Stabilitas struktur
Tujuan dasar perencanaan struktur adalah menghasilkan struktur yang dapat dipergu-nakan sesuai tujuan pembangunan secara aman, nyaman, ekonomis baik dalam pembuatan maupun perawatan. Berbagai aturan perencanaan dibuat sebagai pentunjuk bagi perencanaan agar dapat memenuhi tujuan dasar tersebut. Perencanaan kuno lebih didasarkan pada empiris, sangat dipengaruhi pengalaman-pengalaman sebelumnya. Apabila pengalaman sebelumnya menunjukkan bahwa ukuran-ukuran suatu struktur terlalu kecil sehingga bangunan roboh, maka pada perencanaan berikutnya ukuran komponen struktur diperbesar, sebaliknya apabila penggunaan ukuran batang struktur dapat menghasilkan bangunan yang kokoh, maka perencanaan berikutnya cenderung dicoba ukuran yang lebih kecil agar diperoleh bangunan yang lebih ekonomis.
2. Kekuatan ultimit dan kekuatan nominal
Teori elastis adalah teori yang pertama dipakai untuk perencanaan berdasarkan metoda hitungan. Teori itu cukup lama dipakai dalam perencanaan struktur, bahkan sampai saat ini teori tersebut masih banyak digunakan, sedang teori baru yang didasarkan pada kuat batas (teori ultimit) secara berangsur-angsur menggantikannya
Prosedur perencanaan dengan kuat batas menuntut perencanaan untuk mempertim-bangkan berbagai kondisi yang dapat ditetapkan sebagai kegagalan sesuai dengan kriteria kuat batas. Dalam hal ini kegagalan dapat dibedakan dalam dua hal. Kegagalan jenis pertama terjadi karena struktur kurang mampu menahan beban yang bekerja, sehingga terjadi keruntuhan. Kegagalan ini sangat erat berkaitan dengan keselamatan, dan ditandai dengan terjadinya putus, retak, lekukan, lengkungan, keruntuhan, atau ketidak stabilan elemen struktur. Dalam hal
23 tertentu, perlu juga dipertimbangkan kemungkinan kegagalan retak akibat kelelahan (fatigue) atau retak karena bahan mempunyai sifat getas (brittle). Oleh karena itu dalam perencanaan harus diperhitungkan berbagai beban yang mungkin akan bekerja pada bangunan yang akan dibuat.
Kegagalan kedua terjadi karena struktur kurang mampu-layan, sehingga tidak dapat difungsikan sesuai tujuan pembuatan. Suatu struktur yang kuat belum tentu mempunyai sifat mampu-layan. Deformasi, lendutan, serta getaran yang berlebihan dapat merusakkan komponen bangunan lain. Lendutan yang besar pada jembatan akan mengurangi kenyamanan penumpang kendaraan yang lewat, menimbulkan kekhawatiran, menimbulkan gaya pusingan yang memperberat beban. Selain itu lendutan yang berlebihan juga akan mengurangi keindahan bangunan.
Sekalipun banyak kasus yang perlu dipertimbangkan di dalam perencanaan, dalam banyak hal perencanaan cukup dilakukan berdasarkan kekuatan dan stabilitas, setelah itu baru dilakukan pengecekan untuk meyakini bahwa lendutan tidak melampaui batas.
Dalam praktek, pengujian laboratorium tentang sifat mekanis bahan, seperti kuat tarik dan tegangan leleh baja dari sejumlah sampel, hasilnya sangat bervariasi, sehingga kekuatan struktur yang dihasilkan tentunya juga demikian. Selain itu, beban yang bekerja pada struktur yang dirancang juga bervariasi. Dengan demikian perencanaan struktur menghadapi permasalahan kuantitas yang tidak pasti, baik tentang kekuatan maupun besarnya beban. Perhitungan harus dilakukan untuk meyakinkan bahwa pengaruh beban benar-benar tidak akan melampaui batas kekuatan struktur, sehingga tidak terjadi keruntuhan. Pendekatan ini yang disajikan secara skematis pada Gambar 3.1. memperlihatkan secara hipotetis kurva distribusi frekuensi pengaruh beban serta kekuatan elemen struktur. Kedua kurva saling berpotongan, menunjukkan bahwa pada daerah terarsir pengaruh beban lebih besar dari kekuatan elemen struktur, sehingga struktur akan mengalami kegagalan. Kemungkinan kegagalan tersebut memang ada, namun suatu resiko yang secara statistik dapat dipertanggung jawabkan harus diambil, kalau tidak ingin suatu pemborosan.
24 Gambar 3.1 Probabilitas daya tahan dan efek beban
Prosedur perencanaan dengan kuat batas dapat diringkas sebagai berikut:
Tetapkan batas-batas yang perlu dicek berkaitan dengan perilaku struktur.
Pada setiap batas, tetapkan langkah-langkah tepat yang perlu dipertimbangkan.
Menggunakan model struktur yang tepat untuk perencanaan, dengan memper-hitungkan variasi berbagai parameter, seperti perilaku bahan dan data geometri, periksa bahwa tidak ada satupun batas yang terlampaui.
3. Perancangan kekuatan baja
Variabel beban/aksi adalah hanya salah satu aspek ketidak pastian yang berkaitan dengan perilaku struktur. Satu aspek lain yang juga penting adalah variabel bahan struktur yang berkaitan dengan kuat rancang. Untuk baja struktural, kuat rancang seringkali diperhitungkan berdasarkan tegangan leleh atau tegangan batas. Kuat rancang ini didefinisikan sebagai kuat karakteristik dibagi dengan suatu faktor aman parsial tertentu. Perilaku bahan yang lain adalah modulus elastis (E), modulus geser (G), angka Poison ( ), serta koefiseien muai () akibat perubahan temperatur.
4. Konsep ASD dan LRFD
ASD (Allowable Stress Design AISC-USA) merupakan konsep perancangan baja awal yang hingga sekarang masih banyak diaplikasikan. Konsep Allowable Strength Design (ASD) adalah: The nominal strength is divided by a safety factor and the resulting allowable strength is then required to equal or exceed the required strength determined by structural analysis for the appropriate ASD load combination specified by the applicable building code. Dalam ASD beban
25 diperhitungkan adalah beban kerja (working load). Gaya-gaya dalam yang terjadi pada elemen dihitung dan dibandingkan dengan tegangan ijin bahan (allowable stress).
Konsep ASD sebelum tahun 2005.
Konsep ASD lama mengacu pada perencanaan elastis, yaitu memastikan semua tegangan yang terjadi () di bawah tegangan ijin ( ). Adapun yang dimaksud dengan tegangan ijin adalah tegangan leleh dibagi dengan safety faktor. Sehingga berlaku:
, di mana
Fs
l
, Fs adalah angka aman (safety factor)
AISC-ASD Code terakhir adalah tahun 1989, setelah itu tidak ada publikasi Code terbaru. Code yang keluar berikutnya tahun 2005 adalah AISC-LRFD singkatan dari Load and Resistance Factor Design. Konsep LRFD adalah: The nominal strength is multiplied by a resistance factor, and the resulting design strength is then required to equal or exceed the required strength determined by structural analysis for the appropriate LRFD load combination specified by the applicable building code. Syarat kekuatan struktur adalah :
n u n u n u
V
V
M
M
P
P
Pu, Mu dan Vu adalah gaya-gaya akibat beban terfaktor pada kombinasi pembebanan, dan Pn, Mn dan Vn adalah gaya-gaya nominal hasil perhitungan daya dukung dari profil baja terpilih
ASD dan LRFD sebenarnya sama-sama memakai konsep perencanaan yang sama menggunakan nominal strength hanya beda soal resistance factor, safety factor dan tentunya juga load combination yang dipakai. Meskipun ketiga faktor tersebut berbeda, tetapi keduanya telah dikalibrasi agar mempunyai tingkat keamanan yang sama terhadap suatu kondisi pembebanan yang tertentu.
Dengan memperhitungkan kondisi inelastis maka perilaku keruntuhan struktur dapat dideteksi terlebih dahulu, apakah perilakunya daktail atau tidak. Kondisi tersebut sangat penting untuk mengantisipasi adanya beban tak terduga, yang mungkin saja bisa terjadi, contoh yang umum adalah beban gempa, blasting (ledakan) dan sebagainya.
26 5. Model struktur
Model struktur baja untuk bangunan gedung berbentuk struktur portal penahan momen (moment resisting frame), portal dengan sistem pengaku (braced frame), portal gabungan (dengan dinding geser). Untuk struktur jembatan dapat berupa jembatan sistem gelagar sederhana, gelagar menerus, struktur rangka, struktur kabel, dsb. Sedangkan pada struktur turap berupa sistem kantilever dengan profil khusus turap yang memiliki kekakuan lateral yang tinggi. Contoh-contoh model struktur untuk bangunan gedung ditunjukkan pada Gambar 3.2 di bawah ini.
27 Gambar 3.3 Sistem rangka portal baja
6. Beban
Beban pada struktur dapat berupa gaya atau deformasi sebagai pengaruh temperatur atau penurunan. Beban dapat dibedakan sebgai beban langsung dan tidak langsung, dapat bersifat permanen seperti berat sendiri struktur serta perlengkapan tetap, dan beban tidak tetap, seperti pengaruh angin, gempa, salju, tumbukan, ledakan, dan sebagainya.
28 Beban Berdasarkan SNI 2002
Perencanaan suatu struktur untuk keadaan-keadaan stabil batas, kekuatan batas, dan kemampuan-layan batas harus memperhitungkan pengaruh-pengaruh dari aksi sebagai akibat dari beban-beban berikut ini:
beban hidup dan mati seperti disyaratkan pada SNI 03-1727-1989 atau penggantinya;
untuk perencanaan keran (alat pengangkat), semua beban yang relevan yang disyaratkan pada SNI 03-1727-1989, atau penggantinya;
untuk perencanaan pelataran tetap, lorong pejalan kaki, tangga, semua beban yang relevan yang disyaratkan pada SNI 03-1727-1989, atau penggantinya;
untuk perencanaan lift, semua beban yang relevan yang disyaratkan pada SNI 03-1727-1989, atau penggantinya;
pembebanan gempa sesuai dengan SNI 03-1726-1989, atau penggantinya;
beban-beban khusus lainnya, sesuai dengan kebutuhan.
Kombinasi Pembebanan
Berdasarkan beban-beban tersebut di atas maka struktur baja harus mampu memikul semua kombinasi pembebanan di bawah ini:
1,4D 1,2D + 1,6 L + 0,5 (La atau H) 1,2D + 1,6 (La atau H) + (LL atau 0,8W) 1,2D + 1,3 W + L L + 0,5 (La atau H) 1,2D 1,0E + L L 0,9D (1,3W atau 1,0E) Keterangan:
D adalah beban mati yang diakibatkan oleh berat konstruksi permanen, termasuk dinding, lantai, atap, plafon, partisi tetap, tangga, dan peralatan layan tetap
L adalah beban hidup yang ditimbulkan oleh penggunaan gedung, termasuk kejut, tetapi tidak termasuk beban lingkungan seperti angin, hujan, dan lain-lain
29 La adalah beban hidup di atap yang ditimbulkan selama perawatan oleh pekerja, peralatan, dan
material, atau selama penggunaan biasa oleh orang dan benda bergerak H adalah beban hujan, tidak termasuk yang diakibatkan genangan air W adalah beban angin
E adalah beban gempa, yang ditentukan menurut SNI 03–1726–1989, atau penggantinya dengan,
L = 0,5 bila L < 5 kPa, dan L = 1 bila L 5 kPa. Aksi-aksi lainnyaSetiap aksi yang dapat mempengaruhi kestabilan, kekuatan, dan kemampuan-layan struktur, termasuk yang disebutkan di bawah ini, harus diperhitungkan:
gerakan-gerakan pondasi;
perubahan temperatur;
deformasi aksial akibat ketaksesuaian ukuran;
pengaruh-pengaruh dinamis;
pembebanan pelaksanaan.
Jika ada pengaruh struktural akibat beban yang ditimbulkan oleh fluida (F), tanah (S), genangan air (P), dan/atau temperatur (T) harus ditinjau dalam kombinasi pembebanan di atas dengan menggunakan faktor beban: 1,3F, 1,6S, 1,2P, dan 1,2T,sehingga menghasilkan kombinasi pembebanan yang paling berbahaya.
Gaya-gaya horisontal minimum yang perlu diperhitungkan
Pada struktur bangunan berlantai banyak harus dianggap bekerja gaya-gaya horisontal fiktif masing-masing sebesar 0,002 kali beban vertikal yang bekerja pada setiap lantai. Gaya-gaya horisontal fiktif ini harus dianggap bekerja bersama-sama hanya dengan beban mati dan beban hidup rencana dari SNI 03-1727-1989, atau penggantinya dan dibandingkan dengan Persamaan 2-5 dan 2-6 untuk keadaan-keadaan kekuatan batas dan kemam-puan-layan batas. Gaya-gaya horisontal fiktif ini tidak boleh dimasukkan untuk keadaan kestabilan batas.
7. Keadaan kekuatan batas
Komponen struktur beserta sambungannya harus direncanakan untuk keadaan kekuatan batas sebagai berikut:
30 beban dan aksi-aksi harus ditentukan sesuai dengan Butir 2.6.1 dan 2.6.3 dan
beban-beban keadaan kekuatan batas harus ditentukan sesuai dengan Butir 2.6.2;
pengaruh-pengaruh aksi trfaktor (Ru) sebagai akibat dari beban-beban keadaan batas harus ditentukan dengan analisis sesuai Butir 7;
kuat rencana (Rn) harus ditentukan dari kuat nominal (Rn), dikalikan dengan faktor reduksi () yang tercantum pada Tabel 2-2;
semua komponen struktur dan sambugan harus direncanakan sedemikian rupa sehingga kuat rencana (Rn) tidak kurang dari pengaruh aksi terfaktor (Ru), yaitu: Ru < Rn.
8. Keadaan kemampuan-layan batas
Sistem struktur dan komponen struktur harus direncanakan untuk mempunyai kemampuan-layan batas dengan mengendalikan atau membatasi lendutan dan getaran Kemampuan layan batas ini juga berlaku untuk setiap baut. Di samping itu untuk bangunan baja diperlukan perlindungan terhadap korosi secukupnya. Kesemuanya itu harus sesuai dengan persyaratan yang relevan pada.
Batas-batas lendutan
Batas-batas lendutan untuk keadaan kemampuan-layan batas harus sesuai dengan struktur, fungsi penggunaan, sifat pembebanan, serta elemen-elemen yang didukung oleh struktur tersebut. Batas lendutan maksimum diberikan dalam Tabel 3.1.
Tabel 3.1 Batas lendutan maksimum1. Komponen struktur dengan beban tidak
terfaktor
Beban tetap Beban sementara Balok pemikul dinding atau finishing
yang getas
L/360 -
Balok biasa L/240 -
Kolom dengan analisis orde pertama saja h/500 h/200
Kolom dengan analisis orde kedua h/300 h/200
31 Getaran balok-balok
Balok-balok yang mendukung lantai atau mesin-mesin harus diperiksa untuk meyakinkan bahwa getaran yang diakibatkan oleh mesin-mesin atau lalu-lintas kendaraan atau pejalan kaki tidak berakibat buruk terhadap kemampuan-layan struktur. Dalam hal ada kemungkinan bahwa suatu bangunan harus menerima getaran yang diakibatkan misalnya oleh gaya-gaya angin atau mesin-mesin, harus diambil tindakan untuk mencegah ketidaknyamanan atau perasaan tidak aman, kerusakan terhadap struktur, atau gangguan terhadap fungsi asalnya.
Keadaan kemampuan-layan batas baut
Pada suatu sambungan yang harus menghindari terjadinya slip pada taraf beban rencana, maka alat-alat sambung harus dipilih sesuai dengan sambungan tipe friksi dengan baut mutu tinggi atau las.
Perlindungan terhadap korosi
Dalam hal pekerjaan baja pada suatu bangunan harus menghadapi lingkungan yang korosif, pekerjaan baja tersebut harus diberi perlindungan terhadap korosi. Tingkat perlindungan yang digunakan harus ditentukan berdasarkan pertimbangan atas fungsi bangunan, pemeliharaan, dan kondisi iklim/cuaca serta kondisi setempat lainnya.
Keadaan kekuatan dan kemampuan-layan batas dengan percobaan beban
Dengan tidak mengabaikan berbagai persyaratan, keadaan kekuatan batas, keadaan kemampuan layan batas suatu bangunan atau suatu komponen struktur atau sambungan dapat direncanakan untuk keadaan kekuatan batas atau kemampuan-layan batas atau kedua-duanya, dengan percobaan beban sesuai ketentuan. Bila prosedur alternatif ini yang diambil, persyaratan-persyaratan yang relevan tetap berlaku.
Kebakaran
Bangunan, komponen-komponen struktur, dan sambungan-sambungannya harus direncanakan sesuai dengan Butir 14 (SNI-2002).
32 Gempa
Dalam hal gempa menjadi suatu pertimbangan perencanaan , seperti yang ditentukan pada SNI 03-1726-1989, atau penggantinya, bangunan dan komponen-komponen strukturnya harus direncanakan sesuai dengan Butir 15 (SNI-2002).
Persyaratan perencanaan lainnya
Persyaratan-persyaratan selain yang dinyatakan pada SNI-2002 Pasal 6.2.3, seperti perbedaan penurunan, keruntuhan bertahap, dan semua persyaratan kinerja khusus, harus dipertimbangkan bila relevan dan, bila dianggap perlu, harus diperhitungkan dalam perencanaan struktur sesuai dengan prinsip-prinsip standar ini dan prinsip-prinsip rekayasa yang baku.
Tabel 3.2 Faktor reduksi () untuk keadaan kekuatan batas.
Kuat rencana untuk Butir SNI-2002
terkait
Faktor reduksi Komponen struktur yang memikul lentur:
balok
balok pelat berdinding penuh
pelat badan yang memikul geser
pelat badan pada tumpuan
pengaku 8.1, 8.2 & 8.3 8.4 8.8 & 8.9 8.10 8.11, 8.12, & 8.13 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 Komponen struktur yang memikul gaya
tekan aksial:
kuat penampang
kuat komponen struktur
9.1 & 9.2 9.1 & 9.3
0,85 0,85 Komponen struktur yang memikul gaya
tarik aksial:
terhadap kuat tarik leleh
terhadap kuat tarik fraktur
10.1 & 10.2 10.1 & 10.2
0,90 0,75 Komponen struktur yang memikul
aksi-aksi kombinasi:
kuat lentur atau geser
kuat tarik kuat tekan 11.3 & 11.4 11.3 & 11.4 11.3 & 11.4 0,90 0,90 0,85 Komponen struktur komposit:
kuat tekan
kuat tumpu beton
kuat lentur dengan distribusi tegangan plastik
kuat lentur dengan distribusi tegangan elastik 12.3 12.3.4 12.4.2.1 & 12.4.2.3 12.4.2.1 & 12.4.3 0,85 0,60 0,85 0,90
33
Kuat rencana untuk Butir SNI-2002
terkait
Faktor reduksi Sambungan baut:
baut yang memikul geser
baut yang memikul tarik
baut yang memikul kombinasi geser dan tarik
lapis yang memikul tumpu
13.2.2.1 13.2.2.2 13.2.2.3 13.2.2.4 0,75 0,75 0,75 0,75 Sambungan las:
las tumpul penetrasi penuh
las sudut dan las tumpul penetrasi sebagian las pengisi 13.5.2.7 13.5.3.10 13.5.4 0,90 0,75 0,75
34