BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Umum
Komposit kayu panggoh – beton direncanakan untuk menambah kekuatan tekan kayu sebagai kolom pada struktur bangunan yang akan menahan beban aksial. Dimana material kayu mempunyai kuat tarik dan tekan/lentur yang cukup baik serta berat yangringan dengan material beton yang kuat terhadap tekan dijadikan satu kesatuan komposit. Sebagaimana diketahui, kayu juga merupakan material yang mudah terbakar sedangkan beton tidak sehingga dengan dijadikan sebagai satu kesatuan komposit, kayu menjadi terlindungi dan tidak mudah terbakar. Dengan demikian terbentuk suatu kolom komposit kayu panggoh – beton yang kuat dengan dimensi yang relatif kecil dan biaya yang ekonomis.
2.2. Kayu
Kayu merupakan suatu bahan konstruksi yang didapatkan dari tumbuhan dalam alam. Kayu adalah bagian keras tanaman yang digolongkan kepada pohon. Penggunaan kayu sebagai konstruksi bangunan sudah di kenal dan banyak di pakai sebelum orang mengenal beton dan baja. Kayu mempunyai kuat tarik dan kuat tekan relatif tinggi, berat yang relatif rendah, mempunyai daya tahan tinggi terhadap pengaruh kimia dan listrik, dapat dengan mudah untuk dikerjakan, relatif murah, dapat mudah diganti dan bisa didapat dalam waktu singkat (Felix, 1965).
Pemakaian kayu sebagai konstruksi dukung banyak menjadi alternative pengganti besi dan beton bertulang. Rata – rata konstruksi kayu dengan daya dukung
yang sama, harganya ± 25 % sampai 40 % lebih murah dari pada konstruksi kayu dan beton bertulang. Dengan demikian akan lebih ekonomis jika menggunakan kayu pada stuktur bangunan dan juga dapat memperindah desain bangunan tersebut. Akan tetapi, untuk menggunakan kayu sebagai bahan konstruksi perlu diketahui sifat – sifat kayu terlebih dahulu guna mengetahui jenis dan mutu ataupun kualitas kayu yang akan dipakai. Adapun sifat – sifat kayu akan dijelaskan berikut ini.
2.2.1. Sifat Utama Kayu
Kayu sampai saat ini masih banyak dicari dan dibutuhkan orang. Dari segi manfaatnya bagi kehidupan manusia, kayu dinilai mempunyai sifat – sifat utama, yaitu sifat – sifat yang menyebabkan kayu tetap selalu dibutuhkan manusia (Heinz, 1982). Sifat – sifat utama tersebut antara lain:
1. Kayu merupakan sumber kekayaan alam yang tidak akan habis – habisnya, apabila di kelola dengan cara yang baik. Kayu dikatakan juga sebagai renewable resources (sumber kekayaan alam yang dapat diperbaharui lagi). 2. Kayu merupakan bahan mentah yang mudah diproses untuk dijadikan
barang-barang seperti kertas, bahan sintetik dan tekstil.
3. Kayu mempunyai sifat – sifat spesifik yang tidak bisa ditiru oleh bahan – bahan lain yang dibuat oleh manusia seperti baja dan beton. Misalnya kayu mempunyai sifat elastis dan mempunyai ketahanan terhadap pembebanan yang tegak lurus dengan seratnya atau sejajar seratnya.
Selain itu, kayu juga memiliki sifat – sifat bahan tersendiri tergantung pada jenis pohonnya. Beberapa sifat yang umum terdapat pada semua jenis kayu adalah sebagai berikut :
1. Kayu tersusun dari sel – sel yang memiliki tipe bermacam – macam dan susunan dinding selnya terdiri dari senyawa kimia berupaselulosa dan hemi selulosa (karbohidrat) serta lignin (nonkarbohidrat).
2. Semua kayu bersifat anisotropik, yaitu memperlihatkan sifat – sifat yang berlainan jika diuji menurut tiga arah utamanya (longitudinal, radial dan tangensial).
3. Kayu merupakan bahan yang bersifat higroskopis, yaitu dapat menyerap atau melepaskan kadar air (kelembaban) sebagai akibat perubahan kelembaban dan suhu udara disekelilingnya.
4. Durabilitas kayu adalah daya tahan suatu jenis kayu terhadap faktor – faktor perusak yang datang dari luar kayu itu sendiri. Secara alami kayu mempunyai durabilitas tersendiri, dan berbeda untuk tiap jenis kayu. Durabilitas kayu biasanya ditentukan oleh adanya zat ekstraktif yang terkandung di dalam kayu tersebut.
2.2.2. Sifat Fisis dan Mekanis Kayu
Sifat dan kekuatan tiap jenis kayu berbeda – beda secara alami antar jenis, antar pohon dalam satu jenis bahkan antar bagian dalam satu pohon, maka harus disesuaikan penggunaan kelas kayu dengan konstruksi yang akan dibuat. Oleh karena itu, penting sekali untuk mengetahui sifat fisis dan sifat mekanis kayu yang juga mempengaruhi kekuatan kayu.
2.2.2.1. Sifat Fisis Kayu
Sifat fisis kayu adalah sifat yang dapat diketahui secara jelas melalui panca indera tanpa menggunakan alat bantu.
A. Berat Jenis Kayu
Berat jenis didefinisikan sebagai angka berat dari satuan volume suatu material.Berat jenis diperoleh dengan membagikan berat kepada volume benda tersebut. Berat diperoleh dengan cara menimbang suatu benda pada timbangan dengan tingkat keakuratan yang diperlukan atau biasanya digunakan timbangan dengan ketelitian 20%, yaitu sebesar 20 gr/kg. Sedangkan untuk menentukan volume biasanya dilakukan dengan mengukur panjang, lebar dan tebal suatu benda dan mengalikannya.
Kayu terbentuk dari sel – sel yang memiliki bermacam – macam tipe yang memungkinkan terjadinya suatu penyimpangan tertentu. Oleh karena itu, perhitungan berat jenis kayu seharusnya berpangkal pada keadaan kering udara yang berarti sekering – keringnya tanpa pengeringan buatan. Berat jenis kayu biasanya berbanding lurus dengan kekuatan daripada kayu atau sifat – sifat mekanisnya. Maka makin tinggi berat jenis suatu kayu semakin tinggi pula kekuatannya.
B. Kadar Air
Kadar air didefinisikan sebagai banyaknya air yang terdapat dalam kayu yang dinyatakan dalam persen terhadap berat kering tanurnya. Kayu sebagai bahan konstruksi dapat mengikat air dan juga dapat melepaskan air yang dikandungnya disebabkan oleh sifat higroskopis yang dimiliki kayu. Keadaan ini tergantung pada kelembaban suhu udara disekeliling kayu itu berada. Kayu sangat peka terhadap kelembaban karena pengaruh kadar air yang
menyebabkan mengembang dan menyusutnya kayu serta mempengaruhi pula sifat-sifat fisis dan mekanis kayu.
Kadar air sangat besar pengaruhnya terhadap kekuatan kayu, terutama daya pikulnya terhadap tegangan desak sejajar arah serat dan juga tegak lurus arah serat kayu.Sel-sel kayu mengandung air yang sebagian bebas mengisi dinding sel. Kayu mengering pada saat air bebas keluar dan apabila air bebas itu habis keadaannya disebut titik jenuh serat (FibreSaturation Point).Kadar air pada saat itu kira-kira 25% - 30%. Apabila kayu mengering dibawah titik jenuh serat, dinding sel menjadi semakin padat sehingga mengakibatkan serat-seratnya menjadi kokoh dan kuat.
Pada umumnya kayu-kayu di Indonesia yang kering udara mempunyai kadar air antara 12% - 18%, atau rata-ratanya adalah 15%. Tetapi apabila berat dari benda uji tersebut menunjukkan angka yang terus-menerus menurun, maka kayu belum dapat dianggap kering udara.
Selain berat jenis dan kadar lain, sifat fisis kayu lainnya adalah warna, tekstur, arah serat, kesan raba, bau dan rasa, serta nilai dekoratif.
2.2.2.2. Sifat Mekanis Kayu
Sifat mekanis kayu merupakan keteguhan kayu, yaitu perlawanan yang diberikan oleh suatu jenis kayu terhadap perubahan – perubahan bentuk yang disebabkan oleh gaya – gaya luar. Perlawanan kayu terhadap gaya – gaya luar dibedakan menjadi:
Keteguhan tarik adalah kekuatan atau daya tahan kayu terhadap dua buah gaya yang bekerja dengan arah yang berlawanan dan gaya ini bersifat tarik (Gambar II.1). Gaya tarik ini berusaha melepas ikatan antara serat – serat kayu tersebut. Sebagai akibat dari gaya tarik (P), maka timbullah didalam kayu tegangan – tegangan tarik yang harus berjumlah sama dengan gaya – gaya luar P. Bila gaya tarik ini membesar sedemikian rupa, serat – serat kayu terlepas dan terjadilah patahan. Dalam suatu konstruksi bangunan, hal ini tidak boleh terjadi untuk menjaga keamanan.
Tegangan tarik masih diizinkan bila tidak timbul suatu perubahan atau bahaya pada kayu, disebut dengan tegangan tarik yang diizinkan dengan notasi Ft (MPa). Misalnya, untuk kayu dengan kode mutu E26 tegangan tarik yang diizinkan dalam arah sejajar serat adalah 60 MPa.
P P
Serat Kayu Gambar. 2.1. Batang kayu menerima gaya tarik P
B. Keteguhan Tekan (Compression Strength)
Keteguhan tekan adalah kekuatan atau daya tahan kayu terhadap gaya – gaya tekan yang bekerja sejajar atau tegak lurus serat kayu. Gaya tekan yang bekerja sejajar serat kayu akan menimbulkan bahaya tekuk pada kayu tersebut (Gambar 2.2). Sedangkan gaya tekan yang bekerja tegak lurus arah serat akan menimbulkan retak pada kayu (Gambar 2.3). Batang – batang yang panjang dan tipis seperti papan, mengalami bahaya kerusakan lebih besar ketika menerima gaya tekan
sejajar serat jika dibandingkan dengan gaya tekan tegak lurus serat kayu. Sebagai akibat adanya gaya tekan ini akan terjadi tegangan tekan pada kayu. Tegangan tekan terbesar yang tidak menimbulkan adanya bahaya disebut tegangan tekan yang diizinkan, dengan notasi Fc (MPa).
Bahaya Tekuk
P P
Gambar. 2.2. Batang kayu menerima gaya tekan sejajar serat P
P
Gambar 2.3. Batang kayu menereima gaya tekan tegak lurus serat
C. Keteguhan Geser
Keteguhan geser adalah kekuatan atau daya tahan kayu terhadap dua gaya – gaya tekan yang bekerja padanya, kemampuan kayu untuk menahan gaya – gaya yang menyebabkan bagian kayu tersebut bergeser atau tergelincir dari bagian lain di dekatnya. Akibat gaya geser ini maka akan timbul tegangan geser pada kayu (lihat Gambar 2.4). Dalam hal ini, keteguhan geser dibagi menjadi 3 (tiga) macam, yaitu keteguhan geser sejajar serat, keteguhan geser tegak lurus serat dan keteguhan geser miring. Tegangan geser terbesar yang tidak akan menimbulkan
bahaya pada pergeseran serat kayu disebut tegangan geser yang diizinkan, dengan notasi Fv (MPa). Gaya Geser P P
Gambar 2.4 Batang kayu yang menerima gaya geser tegak lurus arah serat
D. Keteguhan Lentur Statis (Static Bending Strength)
Keteguhan lentur adalah kekuatan kayu untuk menahan gaya – gaya yang berusaha melengkungkan kayu. Pada balok sederhana yang dikenai beban maka bagian bawah akan mengalami bagian tarik dan bagian atas mengalami tegangan tekan maksimal (Gambar 2.5). Dari pengujian keteguhan lentur diperoleh nilai keteguhan kayu pada batas proporsi dan keteguhan kayu maksimum. Dibawah batas proporsi terdapat hubungan garis lurus antara besarnya tegangan dan regangan, dimana nilai perbandingan antara tegangan dan regangan ini disebut modulus elastisitas (MOE). Akibat tegangan tarik yang melampaui batas kemampuan kayu maka akan terjadi regangan yang cukup berbahaya.
P Garis netral Tertekan
Tertarik
Gambar 2.5. Batang kayu yang menerima beban lengkung
Keteguhan belah adalah kemampuan kekuatan kayu dalam menahan gaya – gaya yang berusaha membelah kayu. Kayu lebih mudah membelah menurut arah sejajar serat kayu. Keadaan kayu juga mempengaruhi sifat pembelahan, misalnya kayu yang basah lebih mudah dibelah daripada kayu yang telah kering.
2.2.3. Tegangan Bahan Kayu
Istilah kekuatan atau tegangan pada bahan seperti kayu adalah kemampuan bahan untuk mendukung beban luar atau beban yang berusaha merubah bentuk dan ukuran bahan tersebut. Akibat beban luar yang bekerja ini menyebabkan timbulnya gaya – gaya dalam pada bahan yang berusaha menahan perubahan ukuran dan bentuk bahan. Gaya dalam ini disebut dengan tegangan yang dinyatakan dalam Pound/ft2. Dibeberapa negara satuan tegangan ini mengacu ke sistem Internasional (SI) yaitu N/mm2. Perubahan ukuran atau bentuk ini dikenal sebagai deformasi atau regangan.
Jika tegangan yang bekerja kecil maka regangan atau deformasi yang terjadi juga kecil dan jika tegangan yang bekerja besar maka deformasi yang terjadi juga besar. Jika kemudian tegangan dihilangkan maka bahan akan kembali kebentuk semula. Kemampuan bahan untuk kembali kebentuk semula tergantung pada besar sifat elastisitasnya. Jika tegangan yang diberikan melebihi daya dukung serat maka serat-serat akan putus dan terjadi kegagalan atau keruntuhan.
Deformasi sebanding dengan besarnya beban yang bekerja sampai pada satu titik. Titik ini adalah Limit Proporsional. Setelah melewati titik ini besarnya deformasi akan bertambah lebih cepat dari besarnya beban yang diberikan. Hubungan antara beban dan deformasi ditunjukkan pada grafik 2.1.
Tarikan
Limit Proporsional Tekanan
Limit Proporsional
Deformasi Grafik 2.1. Hubungan beban tekan dengan deformasi untuk tarikan dan tekanan
Kayu memiliki beberapa tegangan, pada satu jenis tegangan nilainyabesar dan untuk jenis tegangan yang lain nilainya kecil. Sebagai contoh tegangan tekan cenderung memperpendek kayu sedangkan tegangan tarik akan memperpanjang kayu. Biasanya kayu akan menderita kombinasi dari beberapa tegangan yang terjadi secara bersamaan meski salah satu jenis tegangan lebih mendominasi. Kemampuan untuk melentur bebas dan kembali ke bentuk semula tergantung kepada elastisitas, dan kemampuan untuk menahan terjadinya perubahan bentuk disebut dengan kekakuan. Modulus elastisitas adalah ukuran hubungan antara tegangan dan regangan dalam limit proporsional yang memberikan angka umum untuk menyatakan kekakuan atau elastis suatu bahan. Semakin besar modulus elastisitas kayu, maka kayu tersebut semakin kaku.
Dalam mencari karakteristik kekuatan kayu ada dua cara yang dapat dilakukan. Pertama, dengan pengujian langsung di lapangan. Kedua, dengan penelitian. Karena pelaksanaan pengujian di lapangan memerlukan biaya yang besar maka pengujian dengan penelitian merupakan alternatif pemilihan. Pada penelitian ada dua jenis pengujian yang dapat dilakukan. Pengujian dengan menggunakan sampel kecil dan pengujian kayu sebagai struktural.
Pengujian dengan menggunakan sampel penting untuk tujuan komparatif, yang memberikan indikasi bahwa sifat – sifat kekuatan setiap jenis – jenis kayu berbeda. Karena pengujian dirancang untuk menghindari pengaruh kerusakan lain, sehingga hasilnya tidak menunjukkan beban aktual yang mampu diterima dan faktor yang harus digunakan untuk mendapatkan tegangan kerja yang aman. Pengujian kayu dengan bentuk struktural lebih mendekati kondisi penggunaan yang sebenarnya. Secara khusus dianggap penting karena dapat mengamati kerusakan seperti pecah-pecah.
Kelemahan pada pengujian ini adalah memerlukan biaya yang besar dan pekerjaannya sulit karena membutuhkan kayu dalam jumlah yang besar dan butuh waktu yang lebih lama. Selain itu, faktor pemilihan bahan dalam ukuran yang besar dengan kualitas yang seragam menjadi sangat penting dibandingkan dengan pemilihan sampel dalam ukuran kecil. Pengujian dengan menggunakan sampel kecil telah memiliki standar pengujian. Karena sifat kekuatan kayu sangat dipengaruhi oleh kandungan air, pengujian dapat dilakukan dalam kondisi terpisah. Pengujian ini dilakukan dengan menggunakan material kayu yang memiliki kandungan standar.
Pengujian dilakukan pada bahan kering udara dengan kadar air yang diketahui dan angka – angka kekuatan tersebut dikoreksi terhadap kandungan air standar. Ketelitian dibutuhkan untuk mengeliminasi faktor – faktor yang dapat membuat variasi sifat kekuatan. Pengujian dengan sampel kecil dari jenis – jenis kayu yang berbeda – beda kini telah dilakukan, dan banyak batasan data yang diperoleh. Angka – angka yang diterbitkan untuk kayu yang berbeda – beda dapat dibandingkan dengan metode pengujian yang telah distandarkan. Angka – angka ini sendiri dapat dipakai dalam memperhitungkan tegangan kerja karena faktor koreksi telah diperhitungkan.
Nilai tegangan diperoleh dari besarnya beban per luas penampang yang dibebani, dinyatakan dalam N/mm², atau:
Tegangan (σ) = 𝐿𝑢𝑎𝑠 𝑃𝑒𝑛𝑎𝑚𝑝𝑎𝑛𝑔𝐵𝑒𝑏𝑎𝑛 = 𝑃
𝐴 (2.1)
Dan regangan didefinisikan sebagai deformasi per ukuran semula yaitu: Regangan (ε) = 𝑃𝑒𝑟𝑡𝑎𝑚𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑝𝑎𝑛𝑗𝑎𝑛𝑔
𝑃𝑎𝑛𝑗𝑎𝑛𝑔 𝑀𝑢𝑙𝑎−𝑚𝑢𝑙𝑎 =
∆𝐿
𝐿𝑜 (2.2)
Secara teoritis, semakin ringan kayu maka semakin kurang kekuatannya, demikian juga sebaliknya. Pada umumnya dapat dikatakan bahwa kayu – kayu yang berat sekali juga kuat sekali. Kekuatan, kekerasan dan sifat teknik lainnya adalah berbanding lurus dengan berat jenisnya. Tentunya hal ini tidak terlalu sesuai, karena susunan dari kayu tidak selalu sama.
2.2.4. Kuat Acuan Berdasarkan Pemilahan Secara Mekanis
Pemilihan secara mekanis untuk mendapatkan modulus elastisitas lentur harus dilakukan dengan mengikuti standar pemilahan mekanis yang baku. Berdasarkan modulus elastis lentur yang diperoleh secara mekanis, kuat acuan lainnya dapat diambil mengikuti tabel 2.1. Kuat acuan yang berbeda dengan tabel 2.1 dapat digunakan apabila ada pembuktian secara eksperimental yang mengikuti standar – standar eksperimen yang baku.
Tabel 2.1. Nilai kuat acuan (MPa) berdasarkan atas pemilahan secara mekanispada kadar air 15% (berdasarkan PKKI NI - 5 2002)
Kode Mutu Ew Fb Ft// Fc// Fv Fc﬩ E26 25000 66 60 46 6,6 24 E25 24000 62 58 45 6,5 23 E24 23000 59 56 45 6,4 22 E23 22000 56 53 43 6,2 21 E22 21000 54 50 41 6,1 20 E21 20000 56 47 40 5,9 19 E20 19000 47 44 39 5,8 18 E19 18000 44 42 37 5,6 17 E18 17000 42 39 35 5,4 16 E17 16000 38 36 34 5,4 15 E16 15000 35 33 33 5,2 14 E15 14000 32 31 31 5,1 13 E14 13000 30 28 30 4,9 12 E13 14000 27 25 28 4,8 11 E12 13000 23 22 27 4,6 11 E11 12000 20 19 25 4,5 10 E10 11000 18 17 24 4,3 9
Dimana : Ew = Modulus elastis lentur Fb = Kuat lentur
Ft// = Kuat tarik sejajar serat Fc// = Kuat tekan sejajar serat Fv = Kuat Geser
Fc┴ = Kuat tekan tegak lurus
Faktor – faktor koreksi digunakan untuk menghitung nilai tahanan terkoreksi. Nilai faktor koreksi yang digunakan dalam menghitung nilai tahanan terkoreksi adalah sebagai berikut:
f
bf
tf
vf
c﬩f
c//E
Balok kayu 0,85 1,00 0,97 0,67 0,80 0,90
Balok kayu besar (125x125 mm
atau lebih besar) 1,00 1,00 1,00 0,67 0,93 1,00
Lantai papan kayu 0,85 - - 0,67 - 0,90
Glulam (kayu laminasi
struktural) 0,80 0,80 0,67 0,53 0,73 0,83
Tabel 2.3. Faktor koreksi temperature, Ct
Kondisi Acuan
Kadar air pada masa layan
Ct
T≤ 38oC 38oC < T ≤ 52oC 52oC < T ≤ 65oC
f
t, E
Basah atau kering 1,0 0,9 0,9f
b,f
c,f
vKering 1,0 0,8 0,7
Basah 1,0 0,7 0,5
2.2.5. Kuat Acuan Berdasarkan Pemilahan Secara Visual
Pemilahan secara visual harus mengikuti standar pemilahan secara visual yang baku. Apabila pemeriksaan visual dilakukan berdasarkan atas pengukuran berat jenis, maka kuat acuan untuk kayu berserat lurus tanpa cacat dapat dihitung dengan menggunakan langkah – langkah sebagai berikut :
a. Kerapatan ρ pada kondisi basah (berat dan volume diukur pada kondisi basah, tetapi kadar airnya lebih kecil dari 30 %) dihitung dengan mengikuti prosedur baku. Gunakan satuan kg/m³ untuk ρ.
b. Kadar air, m % (m < 30), diukur dengan prosedur baku. c. Hitung berat jenis pada m % ( Gm ) dengan rumus :
Gm =
/ [1000 (1 + m/100)] (2.3)d. Hitung berat jenis dasar ( G b ) dengan rumus :
e. Hitung berat jenis pada kadar air 15 % ( G15 ) dengan rumus :
G15 = Gb / (1 – 0,133 G b ) (2.5)
f. Hitung estimasi kuat acuan, dengan modulus elastisitas lentur
(Ew) = 16500G0.7 (2.6)
dimana G : Berat jenis kayu pada kadar air 15 % = G 15.
Untuk kayu dengan serat tidak lurus atau mempunyai cacat kayu, estimasi nilai modulus elastis lentur acuan pada point d harus direduksi dengan mengikuti ketentuan pada SNI (Standar Nasional Indonesia) 03-3527-1994 UDC (Universal Decimal Classification) 691.11 tentang “Mutu Kayu Bangunan“ yaitu dengan mengalikan estimasi nilai modulus elastis lentur acuan dari Tabel 2.1. tersebut dengan nilai rasio tahanan pada Tabel 2.4. yang bergantung pada kelas mutu kayu. Kelas mutu kayu ditetapkan dengan mengacu pada Tabel 2.5.
Tabel 2.4. Nilai rasio tahanan
Kelas Mutu Nilai Rasio Tahanan
A 0,80
B 0,63
C 0,50
Tabel 2.5. Cacat maksimum untuk semua kelas mutu kayu
Macam Cacat Kelas Mutu A Kelas Mutu B Kelas Mutu C Mata Kayu:
Pada arah lebar Pada arah sempit
1/6 lebar kayu 1/8 lebar kayu ¼ lebar kayu 1/6 lebar kayu ½ lebar kayu ¼ lebat kayu
Retak 1/5 tebal kayu 1/6 tebal kayu ¼ tebal Pinggul 1/10 tebal atau lebar
kayu
1/6 tebal atau lebar kayu
¼ tebal atau lebar kayu
Arah serat 1 : 13 1 : 9 1 : 6
Saluran Damar 1/5 tebal kayu eksudasi tidak diperkenan
2/5 tebal kayu ½ tebal kayu
Gubal Diperkenankan Diperkenankan Diperkenankan Lubang serangga Diperkenankan asal
terpencar dan ukuran dibatasai dan
tidak ada tanda-tanda serangga
hidup
Diperkenankan asal terpencar dan
ukuran dibatasai dan tidak ada
tanda-tanda serangga hidup
Diperkenankan asal terpencar dan
ukuran dibatasai dan tidak ada
tanda-tanda serangga hidup Cacat lain (lapuk,
hati rapuh, retak melintang) Tidak diperkenankan Tidak diperkenankan Tidak diperkenankan 2.2.6. Kayu Panggoh
Pada eksperimen ini kayu yang akan digunakan sebagai bahan komposit kolom kayu – beton adalah kayu panggoh yang berasal dari tanaman aren (Arenga Pinnata). Kayu panggoh yang digunakan dalam eksperimen ini diambil dari tanaman aren yang sudah mati dan berumur tua ± 20 tahun. Tanaman aren yang berumur tua, ditandai dengan tumbuhnya bunga yang dekat dengan permukaan tanah tempat tanaman aren tumbuh. Kayu panggoh terdapat dibagian luar batang tanaman aren yang merupakan kayu keras, kuat dan mengkilat. Dari sekitar 50 cm diameter batang aren, bagian pinggir yang keras hanya setebal 5 – 7 cm. Makin keatas, ketebalan kayu panggoh makin berkurang. Kayu panggoh berwarna hitam dan memiliki sifat tahan air, sehingga umumnya produk dengan bahan kayu panggoh lebih tahan lama. Kayu panggoh memiliki serat yang hampir mirip dengan kayu kelapa.
Gambar 2.6. Kayu Panggoh
2.3. Beton
Beton merupakan suatu material batu yang diperoleh dengan membuat suatu campuran yang mempunyai proporsi tertentu dari semen, pasir dan koral atau agregat lainnya, dan air untuk membuat campuran tersebut menjadi keras dalam cetakan sesuai dengan bentuk dan dimensi struktur yang diinginkan. Kumpulan material tersebut terdiri dari agregat yang halus dan kasar. Semen dan air berinteraksi secara kimiawi untuk mengikat partikel – partikel agregat tersebut menjadi suatu massa yang padat. Tambahan air yang melampaui jumlah yang dibutuhkan untuk reaksi kimia ini diperlukan untuk memberikan campuran tersebut sifat mudah diolah yang memungkinkannya mengisi cetakan – cetakan dan membungkus baja penguat sebelum mengeras.
Beton dalam berbagai variasi sifat kekuatan dapat diperoleh dengan pengaturan yang sesuai dari perbandingan jumlah material pembentuknya. Semen – semen khusus (seperti semen berkekuatan tinggi) dan agregat – agregat khusus (seperti bermacam – macam agregat ringan dan agregat berat) memungkinkan untuk mendapatkan variasi sifat – sifat beton yang lebih luas lagi. Sifat – sifat ini dalam banyak hal tergantung pada proporsi dari campurannya, pada kesempurnaan dari
adukan bahan – bahan pembentuk campuran tersebut dan pada kondisi kelembaban dan temperatur pada tempat diletakkannya campuran tersebut sejak saat ditempatkannya campuran tersebut dalam cetakan hingga mengeras sepenuhnya. Kekuatan beton ditaksir dengan mengukur kekuatan hancur dari kubus atau silinder uji yang dibuat dari adukan. Benda uji ini biasanya dirawatdan diuji setelah dua puluh delapan hari menurut prosedur standar.
2.3.1. Sifat – sifat Beton
Beton pada dasarnya merupakan campuran antara semen, kerikil, pasir, dan air dengan perbandingan campuran yang tertentu. Kadang – kadang beberapa bahan tambahan juga ikut digunakan dalam campuran beton ini untuk membuat beton yang memiliki sifat – sifat yang diinginkan, misalnya fly ash (abu terbang) atau material kimia lainnya. Air dan semen akan bereaksi menjadi pasta semen yang bertugas untuk mengikat kerikil dan pasir sehingga terbentuk struktur yang kaku dan memiliki kekuatan tertentu. Beton didapat dari pencampuran bahan – bahan agregat halus dan kasar yaitu pasir, batu, batu pecah atau bahan semacam lainnya, dengan menambahkan secukupnya bahan perekat semen, dan air sebagai pembantu guna keperluan reaksi kimia selama proses dan perawatan beton berlangsung.
Nilai kuat tekan beton relatif tinggi dibanding kuat tariknya, dan beton merupakan bahan berifat getas. Nilai kuat tariknya hanya berkisar 9% - 15% saja dari kuat tekannya. Pada penggunaan sebagai komponen struktur bangunan, umumnya beton diperkuat dengan batang tulangan baja sebagai bahan yang dapat bekerja sama dan mampu membantu kelemahannya, terutama pada bagian yang menahan tarik. Dengan demikian tersusun pembagian tugas, dimana tulangan bajabertugas
memperkuat dan menahan gaya tarik, sedangkan beton hanya diperhitungkan menahan gaya tekan.
2.3.1.1. Kuat Tekan Beton
Beton mempunyai sifat yang kuat terhadap tekan dan mempunyai sifat yang relatif rendah terhadap tarik. Maka pada umumnya beton hanya diperhitungkan mempunyai kerja yang baik di daerah tekan pada penampangnya. Hubungan regangan – regangan yang timbul karena pengaruh pengaruh gaya tekan tersebut digunakan sebagai dasar pertimbangan. Nilai dari kuat tekan beton diwakili oleh tegangan tekan maksimum fc’ dengan satuan N/mm2 atau MPa (Mega Pascal). Kuat tekan beton umur 28 hariberkisar antara nilai ± 10 – 65 MPa. Untuk struktur beton bertulang pada umumnya menggunakan beton dengan kuat tekan berkisar 17 – 30 MPa (Dipohusodo, 1999).
Nilai dari kuat tekan beton ditentukan dari tegangan tekan tertinggi (fc’) yang dicapai benda uji umur 28 hari akibat beban tekan selama percobaan. Dengan demikian, seperti tampak pada gambar, harap dicatat bahwa tegangan fc’ bukanlah tegangan yang timbul pada saat benda uji hancur melainkan tegangan maksimum pada saat regangan beton (εb) mencapai nilai ± 0,002. Kurva – kurva pada gambar 2.7 memperlihatkan hasil percobaan kuat tekan benda uji beton berumur 28 hari untuk berbagai macam adukan rencana.
Grafik 2.2. Diagram Tegangan - Regangan Batang Tulangan Baja Terhadap Kuat Tekan Beton
Kuat tekan pada umur 28 hari dapat dihitung dari data kuat tekan pada umur lainnya dengan menggunakan angka konversi yang diturunkan dilaboratorium terhadap benda uji yang dirawat di laboratorium maupun di lapangan. Bila percobaan ini tidak dilakukan, alternatif lain untuk mendapatkan kuat tekan beton 28 hari adalah dengan menggunakan tabel berikut ini, asalkan beton tersebut tidak menggunakan campuran tambahan atau agregat ringan.
Tabel 2.6. Perbandingan kuat tekan beton pada berbagai umur untuk benda uji silinder yang dirawat di laboratorium
Umur Beton ( Hari ) Portland Type I
3 0,46
7 0,70
14 0,88
21 0,99
28 1,00
Tolak ukur yang umum dari sifat elastis suatu bahan adalah modulus elastisitas, yang merupakan perbandingan dari tekanan yang diberikan dengan perubahan bentuk per satuan panjang, sebagai akibat tekanan yang diberikan. SK SNI 03 – 2847 – 2002 memberikan nilai modulus elastisitas beton yaitu:
• Untuk nilai wc di antara 1500 kg/m3 dan 2500 kg/m3, nilai modulus elastisitas beton (Ec):
Ec =(Wc)1.5 0.043 �𝑓′𝑐 (dalam MPa) (2.7)
• Untuk beton normal Ec dapat diambil sebesar:
Ec = 4700 �𝑓′𝑐 (2.8)
Dimana: Wc = Berat Satuan Beton (kg/m3)
f’c= Kuat Tekan Beton yang disyaratkan (MPa)
Nilai regangan tidak berbanding lurus dengan nilai tegangannya berarti bahan beton tidak sepenuhnya bersifat elastis, sedangkan nilai modulus elastisitas berubah – ubah sesuai dengan kekuatannya. Modulus elastisitas beton juga berubah – ubah tergantung kepada umur beton, sifat-sifat dari agregat dan semen, kecepatan pembebanan, jenis dan ukuran dari benda uji. Pada umumnya nilai kuat maksimum untuk mutu beton tertentu akan berkurang pada tingkat pembebanan yang lebih lamban atau slower rates ofstrain. Nilai kuat beton beragam sesuai dengan umurnya dan biasanya nilai kuat beton ditentukan pada waktu beton mencapai umur 28 hari setelah pengecoran. Umumnya pada umur 7 hari kuat beton mencapai 70 % dan pada umur 14 hari mencapai 85% - 90% dari kuat beton umur 28 hari.
Nilai kuat tarik beton relatif jauh lebih rendah daripada nilai kuat tekan beton. Nilai kuat tarik bahan beton normal hanya berkisar antara 9% - 15% dari kuat tekannya. Kuat tarik beton yang tepat sulit untuk diukur. Kekuatan tarik beton seringkali diukur berdasarkan modulus tarik (modulus of rupture), yaitu tegangan tarik lentur beton yang timbul pada pengujian hancur balok beton polos (tanpa tulangan). Nilai ini sedikit lebih besar dari nilai tarik sesungguhnya. SNI 03-2847-2002 membatasi untuk beton normal, kekuatan beton dalam menahan tarik akibat lentur adalah: Fr 0,70f 'c = Fr ini biasa dikenal dengan tegangan retak
Dengan Ec dan f’c dalam Mpa. Harga ini harus dikalikan faktor 0,75 untuk beton ringan total dan 0,85 untuk beton ringan berpasir. Dari berbagai hasil percobaan terlihat bahwa kekuatan tarik beton sangat kecil dibandingkan kekuatan tekannya, sehingga dalam analisis atau desain kekuatan tarik beton diabaikan, dan beton dianggap hanya dapat menahan gaya tekan.
2.3.2. Bahan Penyusun Beton 2.3.2.1. Semen
Semen adalah bagian yang sangat penting dalam pembuatan beton. Fungsi semen adalah sebagai pengikat yang bersifat kohesif dan adhesif yang memungkinkan melekatnya fragment mineral menjadi suatu massa yang padat. Kegunaan semen ini semata – mata untuk bahan pengikat yang akan mengikat agregat halus dan agregat kasar dengan bantuan air dimana prosesnya disebut hidrasi sehingga bahan – bahan tersebut membentuk suatu kesatuan yang disebut beton. Pengikatan dan pengerasan dari semen hanya dapat terjadi karena adanya air, dan air inilah dapat yang melangsungkan reaksi – reaksi kimia guna melarutkan bagian – bagian dari semen sehingga dihasilkan senyawa – senyawa hidrat yang dapat mengeras. Semen yang
digunakan dalam pelaksanaan konstruksi beton harus mempunyai kualitas yang baik, sebab semen sangat menentukan kualitas beton itu sendiri.
1) Ordinary Portland Cement (OPC)
Merupakan jenis semen yang paling sering digunakan dalam pembangunan. Semen portland diklasifikasikan dalam lima tipe yaitu :
a.Tipe I (Ordinary Portland Cement)
Semen Portland untuk penggunaan umum yang tidak memerlukan persyaratan khusus seperti yang dipersyaratkan pada tipe – tipe lain. Tipe semen ini paling banyak diproduksi dan banyak dipasaran.
b. Tipe II (Moderate Sulfat Resistance)
Semen Portland yang dalam penggunaannya memerlukan ketahananterhadap sulfat atau panas hidrasi sedang. Tipe II ini mempunyai panas hidrasi yang lebih rendah dibanding semen Portland Tipe I. Pada daerah – daerah tertentu dimana suhu agak tinggi, maka untuk mengurangi penggunaan air selama pengeringan agar tidak terjadi Srinkage (penyusutan) yang besar perlu ditambahkan sifat moderat “Heatof hydration”. Semen Portland tipe II ini disarankan untuk dipakai pada bangunan seperti bendungan, dermaga dan landasan berat yang ditandai adanya kolom – kolom dan dimana proses hidrasi rendah juga merupakan pertimbangan utama.
c. Tipe III (High Early Strength)
Semen Portland yang dalam penggunaannya memerlukan kekuatan yang tinggi pada tahap permulaan setelah pengikatan terjadi. Semen tipe III ini dibuat dengan kehalusan yang tinggi blaine biasa mencapai 5000 cm2/gr dengan nilai C3S nya juga tinggi. Beton yang dibuat dengan menggunakan semen Portland tipe III ini dalam waktu 24 jam dapat mencapai kekuatan yang
sama dengan kekuatan yang dicapai semen Portland tipe I pada umur 3 hari, dan dalam umur 7 hari semen Portland tipe III ini kekuatannya menyamai beton dengan menggunakan semen portlan tipe I pada umur 28 hari.
d. Tipe IV (Low Heat Of Hydration)
Semen Portland yang dalam penggunaannya memerlukan panas hidrasi rendah. Penggunaan semen ini banyak ditujukan untuk struktur concrete (beton) yang massive dan dengan volume yang besar, seperti bendungan, dam, dan lapangan udara. Dimana kenaikan temperatur dari panas yang dihasilkan selama periode pengerasan diusahakan seminimal mungkin sehingga tidak terjadi pengembangan volume beton yang bisa menimbulkan cracking (retak). Pengembangan kuat tekan (strength) dari semen jenis ini juga sangat lambat jika dibanding semen portland tipe I.
e. Tipe V (Sulfat Resistance Cement)
Semen Portland yang dalam penggunaannya memerlukan ketahanan tinggi terhadap sulfat. Semen jenis ini cocok digunakan untuk pembuatan beton pada daerah yang tanah dan airnya mempunyai kandungan garam sulfat tinggi seperti: air laut, daerah tambang, air payau dan sebagainya.
2). Sulphate Resisting Portland Cement ( SRPC ) Merupakan semen yang tahan terhadap sulfat. 3). Rapid Hardming Portland Cement ( RHPC )
Merupakan jenis semen yang cepat mengeras dan biasanya digunakan untuk bangunan air.
4). White Cement
Semen ini biasanya disebut semen putih dan sering kali dipakai sebagai hiasan.
Agregat ialah butiran mineral alami yang berfungsi sebagai bahan pengisi dalam campuran beton. Kandungan agregat dalam campuran beton biasanya sangat tinggi, yaitu berkisar 60% - 70% dari volume beton. Walaupun fungsinya hanya sebagai pengisi, tetapi karena komposisinya yang cukup besar sehingga karakteristik dan sifat agregat memiliki pengaruh langsung terhadap sifat – sifat beton. Dalam SNI 03-2847-2002 agregat didefinisikan sebagai material granuler, misalnya pasir, kerikil, batu pecah dan kerak tungku besi yang dipakai bersama – sama dengan media pengikat untuk membentuk semen hidrolik atau adukan. Agregat dapat dibedakan menjadi dua jenis, yaitu agregat alam dan agregat buatan (pecahan).
Secara umum agregat dapat dibedakan menjadi dua golongan yaitu agregat kasar dan agregat halus.
1. Agregat Halus
Agregat halus (pasir) adalah mineral alami yang berfungsi sebagai bahan pengisi dalam campuran beton yang memiliki ukuran butiran kurang dari 5 mm atau lolos saringan no.4 dan tertahan pada saringan no.200. Agregat halus berasal dari hasil disintegrasi alami dari batuan alam atau pasir buatan yang dihasilkan dari alat pemecah batu (stone crusher).
2. Agregat Kasar
Agregat kasar (kerikil/batu pecah) berasal dari disintegrasi alami dari batuan alam atau berupa batu pecah yang dihasilkan oleh alat pemecah batu (stone crusher), dengan ukuran butiran lebih dari 5 mm atau tertahan pada saringan no.4. Agregat yang digunakan dalam campuran beton biasanya berukuran lebih kecil dari 40 mm. Agregat yang ukurannya lebih besar dari 40 mm digunakan untuk pekerjaan sipil lainnya, misalnya untuk pekerjaan jalan, tanggul-tanggul penahan tanah, bronjong atau bendungan dan lainnya. Agregat
halus biasanya dinamakan pasir dan agregat kasar dinamakan kerikil, kricak, batu pecah atau split.
2.3.2.3. Air
Air berguna untuk melarutkan semen sehingga akan menghasilkan senyawa hidrat arang yang dapat mengeras. Dalam konstruksi beton, air adalah bahan campuran yang turut menentukan mutu dari suatu beton. Oleh sebab itu pemakaian air dalam campuran beton harus diteliti terlebih dahulu agar jangan mengurangi mutu beton yang dihasilkan. Jumlah air yang dipakai untuk membuat adukan beton dapat ditentukan dengan ukuran isi atau ukuran berat dan harusdilakukan dengan tepat. Air yang dipergunakan untuk pembuatan beton adalah air yang tidak mengandung minyak, asam, garam – garam alkali, bahan – bahan organik atau bahan – bahan yang dapat merusak mutu beton atau baja dan juga mempunyai pH yang tidak boleh > 6.
Apabila terdapat keragu – raguan mengenai air maka dianjurkan untuk mengirim contoh air yang akan dipakai ke lembaga pemeriksaan bahan – bahan yang diakui untuk diselidiki sampai berapa jauh air tersebut mengandung zat-zat yang dapat merusak beton atau tulangan baja. Penelitian ini dilakukan di laboratorium kimia. Apabila pemeriksaan tersebut tidak dapat dilakukan maka diadakan percobaan perbandingan antara kekuatan tekan mortar semen ditambah semen ditambah pasir ditambah air, dengan memakai air suling sebagai standard. Air tersebut dapat dianggap memenuhi syarat dan dapat dipakai apabila kekuatan tekan mortar pada umur 7 dan 28 hari paling sedikit adalah 90% dari kekuatan tekan mortar dengan menggunakan air suling pada umur yang sama.
• Tidak mengandung lumpur (benda melayang lainnya) lebih dari 2 gram/liter, • Tidak mengandung garam – garam yang dapat merusak beton (asam, zat
organik, dan sebagainya) lebih dari 15 gram/liter,
• Tidak mengandung klorida (Cl) lebih dari 0,5 gram/liter, • Tidak mengandung senyawa sulfat lebih dari 1 gram/liter.
2.4. Kolom
Kolom adalah suatu elemen struktur yang mendapat beban aksial tekan (compress) pada ujung – ujungnya dan tidak ada beban transversal. Sehingga kolom tidak mengalami lentur secara langsung (tidak ada beban tegak lurus terhadap sumbunya). Pada kolom, beban aksial yang diterima sangat dominan sehingga keruntuhan yang terjadi berupa keruntuhan tekan. Kolom yang ideal memiliki sifat elastis, lurus dan sempurna jika diberi pembebanan secara konsentris. Kolom dapat diklasifikasikan berdasarkan bentuk dan susunan tulangannya, posisi beban pada penampangnya, dan panjang kolom.
1) Berdasarkan bentuk dan susunan tulangannya kolom dibagi menjadi :
Kolom segiempat atau bujursangkar dengan tulangan memanjang dan sengkang.
Kolom bundar dengan tulangan memanjang dan tulangan lateral berupa sengkang atau spiral.
Kolom komposit yaitu kolom yang bahan – bahannya terdiri dari dua jenis material yang berbeda sifatnya, yang disatukan sedemikian rupa untuk mendapatkan kekuatan yang lebih baik. Umumnya beton dengan profil baja struktural didalamnya.
Gambar 2.7. Jenis kolom berdasarkan bentuk dan susunan tulangan 2) Berdasarkan posisi beban pada penampangnya kolom dibagi menjadi :
Kolom yang mengalami beban sentris (gambar 2.8.a) berarti tidak mengalami lentur.
Kolom dengan beban eksentrisitas (gambar 2.8.b) mengalami momen lentur selain gaya aksial. Momen ini dapat dikonversikan menjadi suatu beban P dengan eksentrisitas e.
P P
e
(a) (b)
3) Berdasarkan panjang kolom dalam hubungannya dengan dimensi lateralnya kolom diklasifikasikan menjadi :
Blok tekan pendek atau pedestal yakni jika ketinggian dari kolom tekan tegak kurang dari tiga kali dimensi lateral terkecil (panjang atau lebar).
Kolom pendek adalah kolom yang nilai perbandingan antara panjangnya dengan dimensi penampang melintang relatif kecil. Jenis kolom ini tidak tergantung pada panjangnya dan apabila mengalami beban berlebihanakan mengalami kegagalan karena hancurnya material. Hal ini berarti, kolom pendek tidak mengalami bahaya tekuk. Oleh karena itu, kapasitas pikul – beban batas kolom ini tergantung pada kekuatan material yang digunakan.
Kolom panjang yaitu jika ketinggian dari kolom lebih besar dari tiga kali dimensi lateralnya (panjang/lebar). Jenis kolom ini akan mengalami kegagalan akibat tekuk dan ketinggiannya atau panjangnya turut mempengaruhi kapasitas pikul-beban. Perilaku kolom panjang terhadap beban tekan diilustrasikan pada gambar 2.10.a.b.c. Apabila bebannya kecil, kolom masih dapat mempertahankan bentuk linearnya, begitu pula jika bebannya bertambah. Hingga pada saat beban yang diterima terus bertambah mencapai taraf tertentu, kolom tersebut tiba-tiba berubah bentuk seperti pada gambar 2.10.c. Inilah yang disebut dengan fenomena tekuk (buckling). Apabila suatu kolom telah menekuk, maka kolom tersebut tidak akan mampu lagi menerima beban tambahan sehingga sedikit saja penambahan beban akan dapat menyebabkan kolom tersebut runtuh/hancur. Dengan demikian,
kapasitas pikul bebannya adalah besar beban yang menyebabkan kolom tersebut mengalami tekuk awal.
Keruntuhan kolom dapat terjadi apabila tulangannya leleh karena tarik atau terjadinya kehancuran pada beton yang tertekan. Selain itu, kolom juga dapat mengalami keruntuhan apabila terjadi ketidakstabilan lateral, yakni terjadi tekuk (buckling). Tekuk adalah suatu ragam kegagalan yang diakibatkan oleh ketidakstabilan suatu elemen struktur yang dipengaruhi oleh aksi beban yaitu beban tekuk. Beban tekuk adalah beban yang dapat menyebabakan suatu kolom menekuk, beban ini disebut juga beban kritis (Pcr).
Banyak faktor yang mempengaruhi beban tekuk (beban kritis) suatu kolom panjang dimana panjang kolom merupakan salah satu faktor penting. Pada umumnya kapasitas pikul – beban kolom berbanding terbalik dengan kuadrat panjang elemen. Faktor lain yang juga mempengaruhi besar beban tekuk adalah karakteristik kekakuan elemen struktur (jenis material dan bentuk serta ukuran penampang). Suatu elemen yang mempunyai kekakuan kecil lebih mudah mengalami tekuk dibandingkan dengan elemen berkekakuan besar. Semakin panjang suatu elemen struktur maka kekakuannya semakin kecil.
Kekakuan elemen struktur juga berkaitan dengan banyaknya dan distribusi material yang ada dan sifat material. Ukuran distribusi ini pada umumnya dapat dinyatakan dengan momen inersia I yang menggabungkan banyak material yang ada dengan distribusinya. Sedangkan ukuran untuk sifat material adalah modulus elastisitas E. Semakin tinggi nilai E, semakin tinggi pula kekakuannya. Hal ini berarti semakin besar pula tahanan kolom yang terbuat dari material itu untuk mencegah tekuk.
Faktor lain yang turut mempengaruhi besarnya beban tekuk adalah kondisi ujung elemen struktur. Suatu kolom dengan ujung-ujung bebas berotasi mempunyai kemampuan pikul-beban lebih kecil dibandingkan dengan kolom sama yang ujung – ujungnya dijepit. Adanya tahanan ujung menambah kekakuan sehingga juga meningkatkan kestabilannya dalam mencegah tekuk. Berikut ini adalah keterkaitan besarnya beban tekuk dengan berbagai kondisi ujung elemen struktur.
Gambar 2.9. Berbagai kondisi ujung kolom
Fenomena tekuk yang terjadi pada kolom panjang telah diamati oleh beberapa ilmuwan salah satunya adalah Leonheardt Euler yang dikenal dengan teori tekuk euler. Teori ini akan dibahas lebih lanjut pada subbab berikut.
2.5. Stabilitas Struktur Kolom
Masalah kesetimbangan erat kaitannya dengan stabilitas suatu struktur batang. Pemahaman terhadap masalah kesetimbangan merupakan hal yang penting. Konsep dari stabilitas sering diterangkan dengan menggangap kesetimbangan dari bola pejal dalam beberapa posisi yaitu :
a. Kesetimbangan stabil
Gambar 2.10.a. kesetimbangan stabil
Pada kolom panjang yang diberi beban (P) lebih kecil daripada beban kritis (Pcr) maka kolom akan mengalami deformasi kecil. Apaila beban (P) dihilangkan
deformasi juga hilang dan kolom kembali lurus (keadaan semula). Maka keadaan kesetimbangan ini disebut kesetimbangan stabil (stable equilibrium).
b. Kesetimbangan netral
Pada kolom panjang yang diberi beban (P) lebih besar daripada P pada kesetimbangan stabil sampai kolom mencapai beban tekuk kritis (Pcr) dengan kata lain P=Pcr sehingga kolom mengalami deformasi yang cukup besar. Dimana beban
tekuk adalah beban maksimum yang dapat dipikul oleh kolom. Apabila deformasi tidak hilang dan kolom tidak kembali pada konfigurasi linear (lurus) maka akan ada konfigurasi baru meskipun beban (P) yang diberikan telah dihilangkan. Keadaan kesetimbangan ini disebut keadaan kesetimbangan netral (precarious equilibrium).
c. Kesetimbangan tidak stabil
Gambar 2.10.c. Kesetimbangan tidak stabil
Kolom diberi beban (P) yang lebih besar daripada beban tekuk kritis (Pcr) sehingga kolom akan mengalami lendutan yang sangat besar. Apabila beban terus bertambah secara konstan maka kolom akan terus berdeformasi sampai akhirnya runtuh/patah. Keadaan kesetimbangan ini disebut dengan kesetimbangan tidak stabil (Unstable equilibrium).
2.6. Teori Tekuk
Ada beberapa ilmuwan yang telah meneliti perilaku tekuk yang terjadi pada kolom. Dari penelitian tersebut, para ilmuwan ini mengungkapkan berbagai teori tekuk pada kolom. Beberapa teori mengenai tekuk kolom adalah sebagai berikut:
1. Leondhart Euler (1759) : batang dengan beban konsentris yang semula lurus dan semua seratnya tetap elastis hingga tekuk terjadi akan mengalami lengkungan yang kecil. Batasan kelangsingan kolom untuk rumus euler ini adalah 100<λ<150.
2. Considere dan Esengger (1889) : kolom dengan panjang yang umum akan hancur akibat tekuk inelastic dan bukan akibat tekuk elastic
3. Shanley (1946) : kolom masih mampu memikul beban aksial yang lebih besar walaupun telah melentur, tetapi kolom mulai melentur pada saat mencapai beban yang disebut beban tekuk
2.7. Teori Euler
Teori tekuk kolom yang pertama kali dikemukakan oleh Leonheardt Euler pada tahun 1759 adalah kolom dengan beban konsentris yang semula lurus dan semua seratnya tetap elastis sehingga tekuk akan mengalami lengkungan yang kecil seperti gambar 2.7. Euler hanya menyelideki batang yang dijepit di salah satu ujung dengan tumpuan sederhana (simply supported) di ujung lainnya, logika yang sama dapat diterapkan pada kolom berujung sendi, yang tidak memiliki pengekang rotasi dan merupakan batang dengan kekuatan tekuk terkecil.
P P z
z L
Y Posisi yang sedikit melengkung
Gambar 2.11. Kolom Euler
Pada titik sejauh x, momen lentur Mx (terhadap sumbu x) pada kolom yang sedikit
melentur adalah : Mx = P x y (2.9) Dan karena, 𝑑2𝑦 𝑑𝑥2
=
−
𝑀𝑥 𝐸𝐼(2.10)
Persamaan di atas menjadi :
𝑑2𝑦 𝑑𝑥2
+
𝑃 𝑥 𝑦
𝐸𝐼 = 0 (2.11)
Bila k2 = P/EI akan diperoleh
𝑑2𝑦
𝑑𝑥2
+
k
2y = 0
(2.12)Penyelesaian persamaan diferensial ber-ordo 2 ini dapat dinyatakan sebagai :
y = A sin kx + B cos kx (2.13)
Dengan menerapkan syarat batas
a. y = 0 pada x = 0; diperoleh 0 = A sin 0 + B cos 0 didapat harga B = 0 b. y = 0 pada x = L; karena harga A tidak mungkin nol, maka diperoleh harga
A sin kL = 0 (2.14)
Harga kL yang memenuhi ialah kL = 0, π, 2π, 3π, … nπ
Dengan kata lain, persamaan 2.14 dapat dipenuhi oleh tiga keadaan : 1. Konstanta A = 0, tidak ada lendutan.
2. kL = 0, tidak ada beban luar.
3. kL = π, syarat terjadinya tekuk, dan karena k2 = 𝑃
𝐸𝐼 maka π = L
�
𝑃𝐸𝐼 . Apabila
kedua ruas dikuadratkan π2
= L2 𝑃
𝐸𝐼maka diperoleh :
Pkritis = Peuler = Pcr =
𝝅𝟐𝑬𝑰
𝑳𝟐 (2.15)
Ragam tekuk dasar pertama, yaitu lendutan dengan lengkung tunggal ( y = A sin x dari pers.2.5 ), akan terjadi bila kL = π ; dengan demikian beban kritis Euler untuk kolom yang bersendi pada kedua ujungnya dimana L adalah panjang tekuk yang dinotasikan Lk adalah :
Pcr= 𝝅
𝟐𝑬𝑰
𝑳𝒌𝟐
(2.16)
Kelakuan kolom euler dapat digambarkan secara grafik seperti pada gambar :
2.8. Batas Berlakunya Persamaan Euler
Untuk mengetahui batas berlakunya persamaan Euler, harus dilihat hubungan antara tegangan kritis dengan kelangsingan kolom yang dinotasikan dengan ( λ ).
Dari persamaan 2.7 apabila kedua ruas dibagi dengan luas penampang, maka diperoleh : 𝑃 𝐴 = 𝜋2𝐸𝐼 𝐿𝑘2𝐴
(2.17) Karena i2 = 𝐼 𝐴maka diperoleh : 𝑃 𝐴
=
𝜋2𝐸𝐼 �𝐿𝑘𝑖 �2; dimana 𝐿𝑘𝑖 adalah kelangsingan (λ) maka diperoleh :
σ = 𝜋𝜆22𝐸 (2.18)
Batang tekan yang panjang akan runtuh akibat tekuk elastis, dan batang tekan yang pendek dapat dibebani sampai bahan meleleh atau bahkan sampai daerah pengerasan regangan (strain hardening). Pada keadaan yang umum, kehancuran akibat tekuk terjadi setelah sebagian penampang melintang meleleh. Keadaan ini disebut tekuk in elastis (tidak elastis).
Tekuk murni akibat beban aksial sesungguhnya hanya terjadi bila anggapan – anggapan di bawah ini berlaku :
1) Sifat tegangan – tegangan tekan sama di seluruh titik pada penampang. 2) Kolom lurus sempurna dan prismatic.
3) Resultante beban bekerja melalui sumbu pusat batang sampai batang mulai melentur.
4) Kondisi ujung harus statis tertentu sehingga panjang antara sendi – sendi ekivalen dapat ditentukan.
5) Teori lendutan yang kecil seperti pada lenturan yang umum berlaku dan gaya geser dapat diabaikan.
6) Puntiran atau distorsi penampang melintang tidak terjadi selama melentur. Kolom biasanya merupakan satu kesatuan dengan struktur dan pada hakekatnya tidak dapat berlaku secara bebas (independent). Dalam prakteknya, tekuk diartikan sebagai perbatasan antara lendutan stabil dan tak stabil pada batang tekan, bukan kondisi sesaat yang terjadi pada batang langsing elastis yang diisolir. Seperti yang telah dijabarkan sebelumnya, penentuan beban batas tidak selaras dengan hasil percobaan. Hasil percobaan mencakup pengaruh bengkokan awal pada batang eksentrisitas beban yang tak terduga, tekuk setempat atau lateral dan tegangan sisa.
Kurva tipikal dari beban batas hasil pengamatan dapat diperlihatkan pada grafik 2.4. Oleh karena itu, rumus perencanaan didasarkan pada hasil empiris ini. Secara umum, tekuk elastis Euler menentukan kekuatan batang dengan angka kelangsingan yang besar, dan tegangan leleh digunakan untuk kolom yang pendek, serta kurva transisi dipakai untuk tekuk inelastis.
σ
𝑷 𝑨
=
𝝅𝟐𝑬 𝝀𝟐σ
1Jangkauan hasil percobaan
λ
Grafik 2.4. Jangkauan Kekuatan Kolom yang Umum Terhadap Angka Kelangsingan2.9. Prinsip Perencanaan Struktur Komposit
Struktur komposit merupakan suatu struktur yang terdiri dari dua jenis material yang berbeda atau lebih dan bekerja secara bersama-sama membentuk suatu kesatuan, dimana masing-masing bahan/material tersebut mempunyai kekuatan sendiri-sendiri. Struktur komposit dibentuk dengan memanfaatkan sifat fisik dan mekanik dari masing-masing bahan sehingga akan diperoleh komponen yang lebih baik dan mempunyai kelebihan-kelebihan tertentu bila dibandingkan dengan masing-masing bahan yang membentuknya.
Bahan konstruksi yang dimaksud dalam tulisan ini adalah kolom komposit kayu dengan beton. Salah satu usaha yang dapat dilakukan untuk menghemat penggunaan bahan bangunan, yaitu dengan cara menggabungkan kayu dan beton dalam satu kesatuan struktur komposit. Komponen komposit kayu – beton adalah komposit yang terbentuk dari bahan kayu panggoh dan beton bertulang yang digabungkan menjadi satu kesatuan dengan kayu diletakkan di tengah kolom kemudian dilakukan pengecoran sehingga mampu bereaksi secara bersama – sama terhadap beban kerja sebagai satu kesatuan. Apabila dibandingkan dengan beton, pelaksanaan dengan menggunakan kolom komposit mempunyai beberapa keuntungan disamping kerugian – kerugian tertentu.
Keuntungan – keuntungan yang diperoleh adalah sebagai berikut : a. Ukuran kolom konstruksi menjadi lebih kecil,
b. Berat konstruksi menjadi ringan,
c. Sesuai dengan bentang – bentang pendek, untuk gelagar sederhana, d. Kekuatan memikul beban menjadi lebih besar.
Sedangkan kerugian – kerugiannya adalah:
a. Diperlukan pemeliharaan (maintenance) yang periodik dimana kekuatan kayu akan berkurang, sejalan dengan lebih membasahnya keadaan/pengaruh pergantian cuaca, b. Diperlukan pengawasan dan ketelitian yang tinggi dalam hal pekerjaan sambungan, pengecatan, dll.
Dalam perencanaan struktur dikenal perencanaan elastis dan perencanaan kekuatan batas (ultimate load). Pada kolom,analisis kestabilan elastis dikenal dengan persamaan bebaneuler. Sedangkan analisis struktur secara ultimate memanfaatkan kemampuan struktur secara penuh hingga beban batas akhir (ultimate load) sehingga timbul bentuk plastis dengan kekuatan struktur sampai tegangan runtuhnya. Analisis ultimate pada umumnya digunakan untuk menentukan besarnya beban runtuh (ultimate load) pada suatu struktur serta perilaku keruntuhannya (mechanism).
Beban ultimate hanya dapat diperoleh dibawah keadaan yang ideal. Kolom harus benar – benar berada dalam keadaan lurus, dan dengan keeksentrikan beban serta momen lenturan yang harus diduga berapa besarnya dan dalam perencanaan ini kolom diasumsikan mampu menahan tekuk setempat atau tekuk puntir. Untuk kolom beban aksial yang terletak pada perletakan ujung sendi menunjukkan bahwa beban ultimate dapat diperoleh melalui perhitungan yang sederhana ketika beban aksial tersebut terjadi sangat singkat. Mengambil contoh yang lain, beban ultimate pada kolom yang sangat ramping dapat dikalkulasikan melalui sebab yang diperoleh dari faktor tekuk (pada sumbu yang kecil) pada kolom yang elastis.
Gambar 2.12. Kurva Faktor Tekuk
Beberapa alasan digunakannya metode kuat batas (ultimate strength design) sebagai trend perencanaan struktur beton adalah:
Struktur beton bersifat in-elastis saat beban maksimum, sehingga teori elastis tidak dapat secara akurat menghitung kekuatan batasnya.
Faktor keamanan dalam bentuk faktor beban lebih rasional, yaitu faktor beban rendah untuk struktur dengan pembebanan yang pasti, sedangkan faktor beban tinggi untuk pembebanan yang fluktuatif (berubah – berubah).
Kurva tegangan – regangan beton adalah non liner dan tergantung dari waktu, missal regangan rangkak (creep) akibat tegangan yang konstan dapat beberapa kali lipat dari regangan elasticawal. Oleh karena itu nilai rasio modulus yang digunakan dapat menyimpang dari kondisi sebenarnya. Regangan rangkak dapat memberikan redistribusi tegangan yang lumayan besar pada penampang struktur beton, artinya tegangan sebenarnya yang terjadi pada struktur tersebut bisa berbeda dengan tegangan yang diambil dalam perencanaan. Contoh,
tulangan baja desak pada kolom beton dapat mencapai leleh selama pembebanan tetap, meskipun kondisi tersebut tidak terlihat pada saat direncanakan dengan metode beban kerja yang memakai nilai modular ratio sebelum creep. Metode perencanaan kuat batas tidak memerlukan rasio modulus.
Metode perencanaan kuat batas memanfaatkan kekuatan yang dihasilkan dari distribusi tegangan yang lebih efisien yang memungkinkan oleh adanya regangan in-elastis. Sebagai contoh, penggunanaan tulangan desak pada penampang dengan tulangan ganda dapat menghasilkan momen kapasitas yang lebih besar karena pada tulangan desaknya dapat didaya gunakan sampai mencapai tegangan leleh pada beban batasnya, sedangkan dengan teori elastis tambahan tulangan desak tidak terlalu terpengaruh karena hanya dicapai tegangan yang rendah pada baja.
Metode perencanaan kuat batas menghasilkan penampang struktur beton yang lebih efisien jika digunakan tulangan baja mutu tinggi dan tinggi balok yang rendah dapat digunakan tanpa perlu tulangan desak.
Metode perencanaan kuat batas dapat digunakan untuk mengakses daktilitas struktur di luar batas elastisnya. Hal tersebut penting untuk memasukkan pengaruh redistribusi momen dalam perencanaan terhadap beban gravitasi, perencanaan tahan gempa dan perencanaan terhadap beban ledak (blasting). Kuat beban aksial sentris nominal atau teoritis untuk suatu penampang kolom pada hakekatnya adalah merupakan penjumlahan kontribusi kuat beton (Ag-Ast) 0.85 fc’ dan kuat tulangan baja Astfy. Luas penampang tulangan baja Ast adalah jumlah seluruh tulangan pokok memanjang. Karena yang bekerja adalah beban sentris, dianggap keseluruhan penampang termasuk tulangan pokok memanjang menahan
gaya desak secara merata. Dengan sendirinya pada penampang seperti ini seperti ini tidak terdapat garis netral yang memisahkan daerah tarik dan daerah tekan. Apabila beban aksial tekan bekerja eksentris pada sumbu kolom barulah timbulah tegangan yang tidak merata pada penampang, bahkan pada nilai eksentritas tertentu dapat mengakibatkan timbulkan tegangan tarik. Dengan demikian penampang kolom terbagi menjadi daerah tekan dan tarik, demikian pula tugas penulangan baja dibedakan sebagai tulangan baja tekan (As’) yang dipasang di daerah tekan dan tulangan baja tarik (As) yang dipasang di daerah tarik.
