3.2.5 Cek Disain Berdasarkan AISC-LRFD
3.2.5.4 Perhitungan Kuat Nominal a)Kuat Tarik
Kuat tarik nominal batang tarik, tanpa lubang, dinyatakan sebaagai perkalian luas brutto profil dengan tegangan leleh baja profil yang digunakan. Walaupun kekuatan dari suatu batang tarik bisa saja melampaui tegangan lelehnya sebagai akibat dari pengerasan regangan (strain hardening). Akan tetapi, nilai tersebut tidak diambil karena pelelehan umum di sepanjang batang akan menyebabkan perubahan yang terlalu besar pada batang tarik sehingga dikhawatirkan tidak berfungsi lagi seperti yang diharapkan.
Selain itu kegagalan dapat terjadi pula pada sambungan. Dalam hal ini, disain yang kami gunakan elemen pipa dengan sambungan di baut tumpu pada ujung konektor yang dilas melintang terhadap elemen, sehingga penampang brutto merupakan penampang efektif elemen.
Kuat tarik rencana Ø Nn, ditentukan oleh kondisi batas yang mungkin dialami oleh elemen dengan mengambil kondisi terkecil di antara kondisi leleh dan kondisi fraktur.
Kondisi Leleh
Ø Nn = 0.90 Ag fy
Kondisi Fraktur
Ø Nn = 0.75 Ae fu
Dimana:
Ag = luas penampang kotor
Ae = luas penampang efektif
fy = tegangan leleh nominal baja profil yang digunakan dalam disain
fu =tegangan batas tarik yang digunakan dalam disain.
Namun demikian, sambungan disain kami yang terdiri dari baut serta konektor yang dilas melintang terhadap elemen memiliki kekuatan yang jauh lebih besar daripada
kuat elemen sehingga dipastikan kegagalan akan terjadi pada elemen (menurut uji pabrik) sehingga analisis hanya terhadap kondisi leleh.
Selanjutnya, komponen struktur yang memikul gaya aksial tarik terfaktor Nu harus memenuhi:
Nu ≤ Ø Nn
b) Kuat Tekan
Berbeda dengan batang tarik dimana kekuatannya sangat ditentukan oleh karakteristik bahan yang dipakai dan jenis sambungannya, pada batang tekan, kuat tekan komponen selain ditentukan oleh karakteristik bahan, juga dipengaruhi geometri batang tekan tersebut.
Karakteristik bahan yang mempengaruhi kuat tekan komponen adalah:
• Tegangan leleh ( fy ) • Tegangan sisa ( fu )
• Modulus elastisitas bahan (E)
Sedangkan bentuk geometri penampang yang mempengaruhi kuat tekan komponen adalah:
• Bentuk, tebal, dan lebar elemen
• Kelangsingan (rasio lebar terhadap tebal) • Luas penampang (A)
• Momen inersia penampang (Ix, Iy)
• Kelangsingan batang tekan yang berhubungan erat dengan kondisi ujung • Ada tidaknya penopang lateral pada batang tekan
Secara umum, kondisi batas kekuatan batang tekan dipengaruhi oleh kondisi tekuk (buckling) akibat ketidakstabilan. Hal ini dapat saja terjadi jauh sebelum batang tekan mencapai kondisi leleh. Hanya kolom pendek saja yang dapat dibebani sampai mencapai
kondisi lelehnya. Dengan demikian, untuk mendisain komponen struktur yang memikul gaya aksial tekan diperlukan pengetahuan tentang masalah tekuk dan stabilitas batang tertekan.
Batang yang dibebani gaya tekan dapat mengalami kondisi tidak stabil berupa tekuk lentur, tekuk lokal atau tekuk torsi.
1. Tekuk Lentur (flexural buckling). Batang mengalami lentur terhadap sumbu lemah. Batang yang menahan gaya tekan akan memiliki tendensi untuk melentur/menekuk pada sumbu lemahnya. Hal ini terjadi karena struktur kolom mulai memasuki kondisi ketidakstabilan. Faktor ketidakstabilan ini dapat diakibatkan oleh panjang elemen kolom itu sendiri, eksenstrisitas beban yang bekerja, jenis sambungan yang digunakan, ketidakseragaman karakteristik bahan di sepanjang bentang dan faktor tegangan sisa.
Kolom yang panjang akan cenderung mengalami tekuk dibandingkan dengan kolom yang lebih pendek dengan penampang yang sama. Selain itu, beban tekan yang tidak bekerja pada titik pusat kolom akan menimbulkan tambahan momen (secondary moment) yang memperbesar kecenderungan kolom untuk melentur. Kecenderungan batang untuk menekuk dinyatakan dengan nilai koefisien kelangsingan (slenderness ratio). Semakin tinggi nilai koefisien kelangsingan suatu kolom, maka akan semakin besar kecenderungan kolom untuk menekuk dan menjadi tidak stabil.
Ketidakstabilan pada komponen struktur tekan dapat mengakibatkan kolom tidak mencapai leleh umum pada keseluruhan penampang. Penampang sudah mengalami tekuk lebih dahulu sebelum kondisi leleh terjadi. Kolom jenis ini sering disebut kolom elastik. Pada kondisi lain, kolom dapat mengalami leleh sebagian sebelum kolom menekuk. Kolom jenis ini sering disebut kolom inelastik atau tidak elastik. Hanya sedikit kolom yang mencapai leleh penuh tanpa mengalami efek tekuk. Kolom ini sering disebut kolom pendek.
Tegangan kritik kolom akan ditentukan oleh besaran parameter kelangsingan λ=
yaitu panjang tekuk kolom (sebagai fungsi dari kondisi perletakan ujung) dibagi jari-jari girasi kolom.
Untuk kolom panjang/langsing dengan nilai λ akan semakin besar maka nilai fcr
akan semakin kecil dan sebaliknya pada kolom pendek nilai λ akan semakin kecil fcr akan semakin besar mendekati nilai fy.
Peraturan Baja dengan Metoda LRFD memberi persyaratan kelangsingan kolom
pemikul gaya tekan sebesar ≤200
r Lk
Tekuk Inelastik
Pada tekuk inelastik, kolom menekuk pada saat sebagian penampang telah mengalami leleh dimana kekuatan kolom telah berkurang (EtI < EI). Pada kasus leleh umum (kolom tidak akan menekuk) dan dengan asumsi bahan adalah elastik-plastik sempurna, maka besarnya tegangan pada kondisi batas ini adalah fcr = fy. Kondisi batas yang terjadi pada sebuah batang tekan akan ditentukan oleh parameter kelangsingan batang, yang dapat berupa kondisi batas akibat tekuk elastik (λ >>), kondisi batas akibat tekuk inelastik atau kondisi batas akibat leleh murni (λ <<).
Berdasarkan kondisi batas tersebut maka draft Tatacara Perencanaan Struktur Baja untuk Bangunan Gedung Indonesia - TPSBBGI (1999) mengelompokkan kolom atas tiga jenis yakni kolom panjang/langsing (long columns), kolom menengah (intermiediate columns) dan kolom
pendek (short columns). Pengelompokkan kolom tersebut didasarkan pada nilai λc
vang dimiliki suatu kolom. Besaran ini merupakan besaran parameter kelangsingan non-dimensional. E r Lk f f f y cr y c 2 2 2 π λ = = dengan E f Lk y c π λ =
Kolom Panjang (Long Columns). Kolom panjang memiliki nilai λc ≥ 1.2. Kolom akan segera menekuk secara elastik tanpa ada serat profil yang meleleh.
Kolom Menengah (intermediate Columns). Kolom menengah memiliki nilai λc
pada batasan 0.25 < λc < 1.2. Sebagian serat profil akan mengalami leleh sebelum kolom menekuk secera inelastik. Umumnya kolom direncanakan sebagai kolom menengah.
Kolom pendek (Short Columns). Kolom pendek memiliki nilai nilai λc ≤ 0.25. Seluruh penampang kolom tersebut akan mencapai leleh dan tidak terjadi tekuk pada kolom. Secara umum, kekuatan kolom hanya ditentukan oleh karakteristik bahan yang digunakan.
Selanjutnya nilai nilai λc ini akan digunakan dalam menentukan kuat tekan rencana komponen yang memikul gaya tekan.
2. Tekuk Lokal (local buckling) terjadi pada elemen pada penampang yang menekuk karena terlalu tipis. Ini dapat terjadi sebelum batang menekuk lentur secara keseluruhan.
3. Tekuk Torsi (Torsional Buckling). Elemen pada penampang berputar/ memuntir terhadap sumbu batang.
Kuat Tekan Rencana
Sebuah batang yang memikul gaya tekan konsentris akibat beban terfaktor Nu, harus direncanakan sedemikian rupa sehingga selalu terpenuhi hubungan:
N
u≤ Ø N
nDimana:
Ø = faktor reduksi kuat tekan, diambil 0.85
Nn = kuat tekan nominal terkecil yang ditentukan di antara kondisi batas tekuk lentur dan tekuk torsi.
Pada batang yang menekuk lentur, kuat tekan nominal kolom dihitung sebagai berikut:
Nn = Ag fcr = Ag fy/ω
Dimana:
Ag = luas penampang bruto
fcr = tegangan kritis penampang
fy = tegangan leleh penampang
ω direncanakan menurut kondisi batas yang diperhitungkan bagi elemen.
Leleh umum: λc ≤ 0.25 maka ω = 1 Tekuk inelastik: 0.25 < λc < 1.2 maka ω = Tekuk elastik: λc ≥ 1.2 maka ω = 1.25λc2