A. Pengertian Struktur dan Konstruksi
Sebelum mengenal lebih jauh struktur bentang lebar, perlu dipahami dulu kata-kata yang selalu mengikut di depannya, yaitu kata Struktur dan konstruksi. Dua kata ini merupakan hal sederhana, namun sering harus diulang untuk menghindari kesalahpahaman penggunaan kata. Dalam suatu bangunan, struktur merupakan sarana untuk menyalurkan beban dan akibat penggunaan dan atau kehadiran bangunan ke dalam tanah. Struktur juga dapat didefinisikan sebagai suatu entitas fisik yang memiliki sifat keseluruhan yang dapat dipahami sebagai suatu organisasi unsur-unsur pokok yang ditempatkan dalam suatu ruang yang didalamnya karakter keseluruhan itu mendominasi interelasi bagian-bagiannya( Shodek, 1998:3). Struktur merupakan bagian bangunan yang menyalurkan beban-beban (Macdonald, 2001:1). Struktur dianggap sebagai alat untuk mewujudkan gaya-gaya ekstern menjadi mekanisme pemikulan beban intern untuk menopang dan memperkuat suatu konsep arsitektural.
Sedangkan konstruksi adalah pembuatan atau rancang bangun serta penyusunannya bangunan. Ervianto, 2002: 9, menjelaskan bahwa konstruksi merupakan suatu kegiatan mengolah sumber daya proyek menjadi suatu hasil kegiatan yang berupa bangunan. Dalam artian sederhananya struktur adalah susunannya dan konstruksi adalah penyusunan dari susunan-susunan, sehingga dari pengertian tersebut dapat diambil sustu kesimpulan bahwa konsruksi mencakup secara keseluruhan bangunan dan bagian terkecil atau detail dari tersebut adalah struktur.
Penafsiran yang lebih luas tentang struktur adalah yang didalamnya alat-alat penopang dan metode-metode konstruksi dianggap sebagai faktor intrinsik dan penentu bentuk dalam proses perancangan bangunan. (Snyder&Catanese,1989:359)
Berdasarkan buku Sistem Bentuk Struktur Bangunan (Frick, 1998: 28), struktur dan konstruksi dibedakan berdasarkan fungsinya sebagai berikut:
Fungsi konstruksi: mendayagunakan konstruksi dalam hubungannya dengan daya tahan, masa pakai terhadap gaya-gaya dan tuntutan fisik lainnya.
Struktur: Menentukan aturan yang mendayagunakan hubungan antara konstruksi dan bentuk. Struktur berpengaruh pada teknik dan estetika. Pada teknik, struktur berpengaruh pada kekukuhan gedung terhadap pengaruh luar maupun bebannya sendiri yang dapat mengakibatkan perubahan bentuk atau robohnya bnagunan. Sedangkan estetika dilihat dari segi keindahan gedung secara intergral dan kualitas arsitektural.
Bangunan bentang lebar merupakan bangunan yang memungkinkan penggunaan ruang bebas kolom yang selebar dan sepanjang mungkin. Yang dibagi menjadi dua golongan yaitu :
1. Bangunan lebar sederhana
Bentang lebar sederhana berarti bahwa konstruksi bentang lebar yang ada dipergunakan langsung pada bangunan berdasarkan teori dasar dan tidak dilakukan modifikasi pada bentuk yang ada.
Merupakan bentuk struktur bentang lebar yang melakukan modifikasi dari bentuk dasar, bahkan kadang dilakukan penggabungan terhadap beberapa sistem struktur bentang lebar.
Dalam Schodek, 1998, struktur bentang lebar dibagi ke dalam beberapa sistem struktur yaitu:
1. Struktur rangka batang dan rangka ruang 2. Struktur furnicular, kabel & pelengkung 3. Struktur plan & Grid
4. Struktur membran meliputi pineumatik dan struktur tent(tenda) & net (jaring)
5. Struktur cangkang
B. Definisi Struktur Bentang Lebar
Bangunan bentang lebar merupakan bangunan yang memungkinkan penggunaan ruang bebas kolom yang selebar dan sepanjang mungkin. Bangunan bentang lebar biasanya digolongkan secar umum menjadi 2 yaitu bentang lebar sederhana dan bentang lebar kompleks. Bentang lebar sederhana berarti bahwa konstruksi bentang lebar yang ada dipergunakan langsung pada bangunan berdasarkan teori dasar dan tidak dilakukan modifikasi pada bentuk yang ada. Sedangkan bentang lebar kompleks merupakan bentuk struktur bentang lebar yang melakukan modifikasi dari bentuk dasar, bahkan kadang dilakukan penggabungan terhadap beberapa sistem struktur bentang lebar.
Tingkat kerumitan, masalah dan teknik pemecahan masalah dlm bangunan bentang lebar, dan struktur yang digunakan pada bangunan bentang lebar. truktur bentang lebar, memiliki tingkat
kerumitan yang berbeda satu dengan lainnya. Kerumitan yang timbul dipenaruhi oleh gaya yang terjadi pada struktur tersebut dan beberapa hal lain yang akan di bahas di masing-masing bab. Secara umum, gaya dan macam struktur bentang lebar dapat dilihat pada gambar di bawah ini: (Frick, 1998)
Dalam Schodek, 1998, struktur bentang lebar dibagi ke dalam beberapa sistem struktur yaitu:
a. Struktur Rangka Batang dan rangka Ruang b. Struktur Furnicular, yaitu kabel dan pelengkung c. Struktur Plan dan Grid
d. Struktur Membran meliputi Pneumatik dan struktur tent(tenda) dan net (jaring)
e. Struktur Cangkang
Sedangkan Sutrisno, 1989, membagi ke dalam 2 bagian yaitu: a. Struktur ruang, yang terdiri atas:
- Konstruksi bangunan petak ( Struktur rangka batang) - Struktur Rangka Ruang
b. Struktur permukaan bidang, terdiri atas: - Struktur Lipatan
- Struktur Cangkang
- Membran dan Struktur Membran - Struktur Pneumatik
c. Struktur Kabel dan jaringan
Struktur dan konstruksi merupakan suatu bagian dari ilmu arsitektur dengan fungsi seperti yang dikemukakan sebelumnya sebagai pendukung pencapaian bentuk dalam arsitektur. Sebagai sebuah ilmu, merupakan suatu hal yang penting untuk menpelajari dan mendalaminya. Dalam Al. Alaq ayat 1, Allah memerintahkan kita untuk membaca. Ayat ini sudah ditafsirkan dengan berbagai versi yang intinya satu, untuk terus belajar di dalam hidup.
Penguasaan struktur dan konstruksi sangat penting, mengingat peranannya sebagai penentu kekuatan bangunan. Bangunan yang lemah, dapat menjadi musibah bagi penghuni yang ada di dalamnya. Apalagi mengingat bentang lebar dengan perkiraan minimal orang yang diwadahi sekitar dua ribu orang. Belajar ilmu struktur bentang lebar, berarti belajar untuk menghargai hidup orang lain. Bangunan yang kokoh akan memberikan ketenangan bagi orang yang ada di dalamnya. Dengan penguasaan ilmu struktur dan konstruksi juga, manusia bisa lebih berhemat dan tidak menjadi mubatsir dalam mengaplikasikan sistem struktur dan konstruksinya, guna pemenuhan target kearsitekturalannya.
D. Struktur Rangka Batang
Rangka batang adalah susunan elemen-elemen linier yang membentuk segitiga atau kombinasi segitiga, sehingga menjadi bentuk rangka yang tidak dapat berubah bentuk bila diberi beban eksternal tanpa adanya perubahan bentuk pada satu atau lebih batangnya. Setiap elemen tersebut dianggap tergabung pada titik hubungnya dengan sambungan sendi. Sedangkan batang-batang
tersebut dihubungkan sedemikian rupa sehingga semua beban dan reaksi hanya terjadi pada titik hubung.
E. Prinsip – prinsip Umum Rangka Batang a. Prinsip Dasar Triangulasi
Prinsip utama yang mendasari penggunaan rangka batang sebagai struktur pemikul beban adalah penyusunan elemen menjadi konfigurasi segitiga yang menghasilkan bentuk stabil. Pada bentuk segiempat atau bujursangkar, bila struktur tersebut diberi beban, maka akan terjadi deformasi masif dan menjadikan struktur tak stabil. Bila struktur ini diberi beban, maka akan membentuk suatu mekanisme runtuh (collapse), sebagaimana diilustrasikan pada gambar berikut ini. Struktur yang demikian dapat berubah bentuk dengan mudah tanpa adanya perubahan pada panjang setiap batang. Sebaliknya, konfigurasi segitiga tidak dapat berubah bentuk atau runtuh, sehingga dapat dikatakan bahwa bentuk ini stabil.
Pada struktur stabil, setiap deformasi yang terjadi relatif kecil dan dikaitkan dengan perubahan panjang batang yang diakibatkan oleh gaya yang timbul di dalam batang sebagai akibat dari beban eksternal. Selain itu, sudut yang terbentuk antara dua batang tidak akan berubah apabila struktur stabil tersebut dibebani. Hal ini sangat berbeda dengan mekanisme yang terjadi pada bentuk tak stabil, dimana sudut antara dua batangnya berubah sangat besar.
Pada struktur stabil, gaya eksternal menyebabkan timbulnya gaya pada batang-batang. Gaya-gaya tersebut adalah gaya tarik dan tekan murni. Lentur (bending) tidak akan terjadi selama gaya
eksternal berada pada titik nodal (titik simpul). Bila susunan segitiga dari batang-batang adalah bentuk stabil, maka sembarang susunan segitiga juga membentuk struktur stabil dan kukuh. Hal ini merupakan prinsip dasar penggunaan rangka batang pada gedung. Bentuk kaku yang lebih besar untuk sembarang geometri dapat dibuat dengan memperbesar segitiga-segitiga itu. Untuk rangka batang yang hanya memikul beban vertikal, pada batang tepi atas umumnya timbul gaya tekan, dan pada tepi bawah umumnya timbul gaya tarik. Gaya tarik atau tekan ini dapat timbul pada setiap batang dan mungkin terjadi pola yang berganti-ganti antara tarik dan tekan.
Penekanan pada prinsip struktur rangka batang adalah bahwa struktur hanya dibebani dengan beban-beban terpusat pada titik-titik hubung agar batang-batangnya mengalami gaya tarik atau tekan. Bila beban bekerja langsung pada batang, maka timbul pula tegangan lentur pada batang itu sehingga desain batang sangat rumit dan tingkat efisiensi menyeluruh pada batang menurun.
b. Analisa Kualitatif Gaya Batang
Perilaku gaya-gaya dalam setiap batang pada rangka batang dapat ditentukan dengan menerapkan persamaan dasar keseimbangan. Untuk konfigurasi rangka batang sederhana, sifat gaya tersebut (tarik, tekan atau nol) dapat ditentukan dengan memberikan gambaran bagaimana rangka batang tersebut memikul beban. Salah satu cara untuk menentukan gaya dalam batang pada rangka batang adalah dengan menggambarkan bentuk deformasi yang mungkin terjadi. Metode untuk menggambarkan gaya-gaya pada
rangka batang adalah berdasarkan pada tinjauan keseimbangan titik hubung. Secara umum rangka batang kompleks memang harus dianalisis secara matematis agar diperoleh hasil yang benar.
Analisa Rangka Batang a. Stabilitas
Langkah pertama pada analisis rangka batang adalah menentukan apakah rangka batang itu mempunyai konfigurasi yang stabil atau tidak. Secara umum, setiap rangka batang yang merupakan susunan bentuk dasar segitiga merupakan struktur yang stabil. Pola susunan batang yang tidak segitiga, umumnya kurang stabil. Rangka batang yang tidak stabil dan akan runtuh apabila dibebani, karena rangka batang ini tidak mempunyai jumlah batang yang mencukupi untuk mempertahankan hubungan geometri yang tetap antara titik-titik hubungnya.
Penting untuk menentukan apakah konfigurasi batang stabil atau tidak stabil. Keruntuhan total dapat terjadi bila struktur tak stabil terbebani. Pola yang tidak biasa seringkali menyulitkan penyelidikan kestabilannya. Pada suatu rangka batang, dapat digunakan batang melebihi jumlah minimum yang diperlukan untuk mencapai kestabilan. Untuk menentukan kestabilan rangka batang bidang, digunakan persamaan yang menghubungkan banyaknya titik hubung pada rangka batang dengan banyaknya batang yang diperlukan untuk mencapai kestabilan.
Aspek lain dalam stabilitas adalah bahwa konfigurasi batang dapat digunakan untuk menstabilkan struktur terhadap beban
lateral. menunjukan cara menstabilkan struktur dengan menggunakan batangbatang kaku (bracing). Kabel dapat digunakan sebagai pengganti dari batang kaku, bila gaya yang dipikul adalah gaya tarik saja. Tinjauan stabilitas sejauh ini beranggapan bahwa semua elemen rangka batang dapat memikul gaya tarik dan tekan dengan sama baiknya. Elemen kabel tidak dapat memenuhi asumsi ini, karena kabel akan melengkung bila dibebani gaya tekan. Ketika pembebanan datang dari suatu arah, maka gaya tekan atau gaya tarik mungkin timbul pada diagonal, sesuai dengan arah diagonal tersebut. Suatu struktur dengan satu kabel diagonal mungkin tidak stabil. Namun bila kabel digunakan dengan sistem kabel silang, dimana satu kabel memikul seluruh gaya horisiontal dan kabel lainnya menekuk tanpa menimbulkan bahaya terhadap struktur, maka kestabilan dapat tercapai.
b. Gaya Batang
Prinsip yang mendasari teknik analisis gaya batang adalah bahwa setiap struktur atau setiap bagian dari setiap struktur harus berada dalam kondisi seimbang. Gaya-gaya batang yang bekerja pada titik hubung rangka batang pada semua bagian struktur harus berada dalam keseimbangan. Prinsip ini merupakan kunci utama dari analisis rangka batang.
c. Metode Analisis Rangka Batang
Beberapa metode digunakan untuk menganalisa rangka batang. Metode-metode ini pada prinsipnya didasarkan pada prinsip keseimbangan. Metode-metode yang umum digunakan untuk analisa rangka batang adalah sebagai berikut :
Keseimbangan Titik Hubung pada Rangka Batang
Pada analisis rangka batang dengan metode titik hubung (joint), rangka batang dianggap sebagai gabungan batang dan titik hubung. Gaya batang diperoleh dengan meninjau keseimbangan titik-titik hubung. Setiap titik hubung harus berada dalam keseimbangan.
Keseimbangan Potongan
Prinsip yang mendasari teknik analisis dengan metode ini adalah bahwa setiap bagian dari suatu struktur harus berada dalam keseimbangan. Dengan demikian, bagian yang dapat ditinjau dapat pula mencakup banyak titik hubung dan batang. Konsep peninjauan keseimbangan pada bagian dari suatu struktur yang bukan hanya satu titik hubung merupakan cara yang sangat berguna dan merupakan dasar untuk analisis dan desain rangka batang, juga banyak desain struktur lain.
Perbedaan antara kedua metode tersebut di atas adalah dalam peninjauan keseimbangan rotasionalnya. Metode keseimbangan titik hubung, biasanya digunakan apabila ingin mengetahui semua gaya batang. Sedangkan metode potongan biasanya digunakan apabila ingin mengetahui hanya sejumlah terbatas gaya batang.
Gaya Geser dan Momen pada Rangka Batang Metode ini merupakan cara khusus untuk meninjau bagaimana rangka batang memikul beban yang melibatkan gaya dan momen eksternal, serta gaya dan momen tahanan internal pada rangka batang.
Agar keseimbangan vertikal potongan struktur dapat dijamin, maka gaya geser eksternal harus diimbangi dengan gaya geser tahanan total atau gaya geser tahanan internal (VR), yang besarnya sama tapi arahnya berlawanan dengan gaya geser eksternal. Efek rotasional total dari gaya internal tersebut juga harus diimbangi dengan momen tahanan internal (MR) yang besarnya sama dan berlawanan arah dengan momen lentur eksternal. Sehingga memenuhi syarat keseimbangan, dimana :
E R M = M atau ? = 0 E R M M
d. Rangka Batang Statis Tak Tentu
Rangka batang statis tak tentu tidak dapat dianalisis hanya dengan menggunakan persamaan kesimbangan statika, karena kelebihan banyaknya tumpuan atau banyaknya batang yang menjadi variabel. Pada struktur statis tak tentu, keseimbangan translasional dan rotasional (????Fx=0, Fy=0, dan Mo=0) masih berlaku. Pemahaman struktur statis tak tentu adalah struktur yang gaya-gaya dalamnya bergantung pada sifat-sifat fisik elemen strukturnya.
e. Penggunaan Elemen (Batang) Tarik Khusus : Kabel
Selain elemen batang yang sudah dibahas di atas, ada elemen lain yang berguna, yaitu elemen kabel, yang hanya mampu memikul tarik. Secara fisik, elemen ini biasanya berupa batang baja berpenampang kecil atau kabel terjalin. Elemen ini tidak mampu memikul beban tekan, tetapi sering digunakan apabila hasil analisis diketahui selalu memikul beban tarik. Elemen yang hanya memikul
beban tarik dapat mempunyai penampang melintang yang jauh lebih kecil dibanding dengan memikul beban tekan.
f. Rangka Batang Ruang
Kestabilan yang ada pada pola batang segitiga dapat diperluas ke dalam tiga dimensi. Pada rangka batang bidang, bentuk segitiga sederhana merupakan dasar, sedangkan bentuk dasar pada rangka batang ruang adalah tetrahedron. Prinsip-prinsip yang telah dibahas pada analisis rangka batang bidang secara umum dapat diterapkan pada rangka batang ruang. Kestabilan merupakan tinjauan utama. Gaya-gaya yang timbul pada batang suatu rangka batang ruang dapat diperoleh dengan meninjau keseimbangan ruang potongan rangka batang ruang tersebut. Jelas bahwa persamaan statika yang digunakan untuk benda tegar tiga dimensi, yaitu
Apabila diterapkan langsung pada rangka batang ruang yang cukup besar, persamaan-persamaan ini akan melibatkan banyak titik hubung dan batang. bahkan tidak dikehendaki. Apabila kondisi titik hubung aktual sedemikian rupa sehingga ujung-ujung batang tidak bebas berotasi, maka momen lentur lokal dan gaya aksialnya dapat timbul pada batang-batang. Apabila momen lentur itu cukup besar, maka batang tersebut harus didesain agar mampu memikul tegangan kombinasi akibat gaya aksial dan momen lentur. Besar tegangan lentur yang terjadi sebagai akibat dari titik hubung kaku umumnya ?? 20% dari tegangan normal yang terjadi. Pada desain awal, biasanya tegangan lentur sekunder ini diabaikan. Salah satu efek positif dari adanya titik hubung kaku ini adalah untuk
memperbesar kekakuan rangka batang secara menyeluruh, sehingga dapat mengurangi defleksi. Merencanakan titik hubung yang kaku biasanya tidak akan mempengaruhi pembentukan akhir dari rangka batang.
Desain Rangka Batang a. Tujuan
Kriteria yang digunakan untuk merancang juga menjadi sangat bervariasi. Ada beberapa tujuan yang menjadi kriteria dalam desain rangka batang, yaitu :
(1) Efisiensi Struktural
Tujuan efisiensi struktural biasa digunakan dan diwujudkan dalam suatu prosedur desain, yaitu untuk meminimumkan jumlah bahan yang digunakan dalam rangka batang untuk memikul pembebanan pada bentang yang ditentukan. Tinggi rangka batang merupakan variabel penting dalam meminimumkan persyaratan volume material, dan mempengaruhi desain elemennya.
(2) Efisiensi Pelaksanaan (Konstruksi)
Alternatif lain, kriteria desain dapat didasarkan atas tinjauan efisiensi pelaksanaan (konstruksi) sehubungan dengan fabrikasi dan pembuatan rangka batang. Untuk mencapai tujuan ini, hasil yang diperoleh seringkali berupa rangka batang dengan konfigurasi eksternal sederhana, sehingga diperoleh bentuk triangulasi yang sederhana pula. Dengan membuat semua batang identik, maka pembuatan titik hubung menjadi lebih mudah dibandingkan bila batang-batang yang digunakan berbeda.
Beberapa bentuk konfigurasi eksternal rangka batang yang umum digunakan. Konfigurasi eksternal selalu berubah-ubah, begitu pula pola internalnya. Konfigurasi-konfigurasi ini dipengaruhi oleh faktor eksternal, tinjauan struktural maupun konstruksi. Masing-masing konfigurasi mempunyai tujuan yang berbeda. Beberapa hal yang menjadi bahasan penting dalam konfigurasi rangka batang adalah :
(1) Faktor Eksternal
Faktor-faktor eksternal memang bukanlah hal yang utama dalam menentukan konfigurasi rangka batang. Namun faktor eksternal juga dapat mempengaruhi bentuk-bentuk yang terjadi.
(2) Bentuk-bentuk Dasar
Ditinjau dari segi struktural maupun konstruksi, bentuk– bentuk dasar yang digunakan dalam rangka batang merupakan respon terhadap pembebanan yang ada. Gaya-gaya internal akan timbul sebagai respon terhadap momen dan gaya geser eksternal. Momen lentur terbesar pada umumnya terjadi di tengah rangka batang yang ditumpu sederhana yang dibebani merata, dan semakin mengecil ke ujung. Gaya geser eksternal terbesar terjadi di kedua ujung, dan semakin mengecil ke tengah.
(3) Rangka Batang Sejajar
Pada rangka batang dengan batang tepi sejajar, momen eksternal ditahan terutama oleh batang-batang tepi atas dan bawah. Gaya geser eksternal akan dipikul oleh batang diagonal karena batangbatang tepi berarah horisontal dan tidak mempunyai
kontribusi dalam menahan gaya arah vertikal. Gaya-gaya pada diagonal umumnya bervariasi mengikuti variasi gaya geser dan pada akhirnya menentukan desain batang.
(4) Rangka Batang Funicular
Rangka batang yang dibentuk secara funicular menunjukan bahwa secara konsep, batang nol dapat dihilangkan hingga terbentuk konfigurasi bukan segitiga, namun tanpa mengubah kemampuan struktur dalam memikul beban rencana. Batang-batang tertentu yang tersusun di sepanjang garis bentuk funicular untuk pembebanan yang ada merupakan transfer beban eksternal ke tumpuan. Batangbatang lain adalah batang nol yang terutama berfungsi sebagai bracing. Tinggi relatif pada struktur ini merupakan fungsi beban dan lokasinya.
c. Tinggi Rangka Batang
Penentuan tinggi optimum yang meminimumkan volume total rangka batang umumnya dilakukan dengan proses optimasi. Proses optimasi ini membuktikan bahwa rangka batang yang relatif tinggi terhadap bentangannya merupakan bentuk yang efisien dibandingkan dengan rangka batang yang relatif tidak tinggi. Sudut-sudut yang dibentuk oleh batang diagonal dengan garis horisontal pada umumnya berkisar antara 300 – 600 dimana sudut 450 biasanya merupakan sudut ideal. Berikut ini pedoman sederhana untuk menentukan tinggi rangka batang berdasarkan pengalaman. Pedoman sederhana di bawah ini hanya untuk pedoman awal, bukan digunakan sebagai keputusan akhir dalam desain.
d. Masalah-masalah pada Desain Elemen
Beberapa permasalahan yang umumnya timbul pada desain elemen menyangkut faktor-faktor yang diuraikan berikut ini.
(1) Beban Kritis
Pada rangka batang, setiap batang harus mampu memikul gaya maksimum (kritis) yang mungkin terjadi. Dengan demikian, dapat saja terjadi setiap batang dirancang terhadap kondisi pembebanan yang berbeda-beda.
(2) Desain Elemen, meliputi : Batang Tarik
Batang Tekan
Untuk batang tekan, harus diperhitungkan adanya kemungkinan keruntuhan tekuk (buckling) yang dapat terjadi pada batang panjang yang mengalami gaya tekan. Untuk batang tekan panjang, kapasitas pikul-beban berbanding terbalik dengan kuadrat panjang batang. Untuk batang tekan yang relatif pendek, maka tekuk bukan merupakan masalah sehingga luas penampang melintang hanya bergantung langsung pada besar gaya yang terlibat dan teganagan ijin material, dan juga tidak bergantung pada panjang batang tersebut.
(3) Batang Berukuran Konstan dan/atau Tidak Konstan
Bila batang tepi atas dirancang sebagai batang yang menerus dan berpenampang melintang konstan, maka harus dirancang terhadap gaya maksimum yang ada pada seluruh batang tepi atas, sehingga penampang tersebut akan berlebihan dan tidak efisien.
Agar efisien, maka penampang konstan yang dipakai dikombinasikan dengan bagian-bagian kecil sebagai tambahan luas penampang yang hanya dipakai pada segmen-segmen yang memerlukan.
(4) Pengaruh Tekuk terhadap Pola
Ketergantungan kapasitas pikul beban suatu batang tekan pada panjangnya serta tujuan desain agar batang tekan tersebut relatif lebih pendek seringkali mempengaruhi pola segitiga yang digunanakan.
(5) Pengaruh Tekuk Lateral pada desain batang dan susunan batang.
Jika rangka berdiri bebas, maka ada kemungkinan struktur tersebut akan mengalami tekuk lateral pada seluruh bagian struktur. Untuk mencegah kondisi ini maka struktur rangka batang yang berdiri bebas dapat dihindari. Selain itu penambahan balok transversal pada batang tepi atas dan penggunaan rangka batang ruang juga dapat mencegah tekuk transversa.
e. Rangka Batang Bidang dan Rangka Batang Ruang
Rangka batang bidang memerlukan material lebih sedikit daripada rangka batang tiga dimensi untuk fungsi yang sama. Dengan demikian, apabila rangka batang digunakan sebagai elemen yang membentang satu arah, sederetan rangka batang bidang akan lebih menguntungkan dibandingkan dengan sederetan rangka batang ruang (tiga dimensi). Sebaliknya, konfigurasi tiga dimensi seringkali terbukti lebih efisien dibandingkan beberapa
rangka batang yang digunakan untuk membentuk sistem dua arah. Rangka batang tiga dimensi juga terbukti lebih efisien bila dibandingkan beberapa rangka batang yang digunakan sebagai rangka berdiri bebas (tanpa balok transversal yang menjadi penghubung antar rangka batang di tepi atas).
KLASIFIKASI STRUKTUR
Dasar pengklasifikasi struktur bisa dilihat dari berbagai macam sudut pandang :
a. Berdasarkan bentuk fisik konstruksi geometri : elemen garis / permukaan, lurus /lengkung)
b. Sifat fisik dasar konstruksi ( kaku , tak kaku ) c. Material ( kayu , baja , beton bertulang )
• Susunan balok dan kolom ( Struktur kaku ) Struktur yang dibentuk dengan cara meletakkan elemen kaku horizontal di atas elemen kaku vertikal . Balok memikul beban yang bekerja transversal dari panjangnya dan mentransfer beban tersebut ke kolom vertikal kemudian mentransfer beban itu ketanah.
• Struktur rangka ( Struktur kaku ) Rangka mempunyai aksi struktural yang berbeda dengan jenis balok kolom karena adanya titik hubung kaku antara elemen vertikal dan horizontal. Kekakuan ini titk hubung ini memberikan kestabilan terhadap gaya lateral.. Pada sistem rangka baik balok maupun kolom akan melentur sebagai akibat adanya aksi beban pada struktur
• Pelengkung bata ( Struktur kaku ) Struktur ini terdiri dari potongan-2 kecil yang mempertahankan posisinya akibat tekanan dari beban. Struktur pelengkung bata ini hanya berfungsi dan stabil
apabila dibebani gaya-gaya pada bidang yang menyebabkan struktur tersebut mempunyai gaya tekan merata. Struktur ini tidak bisa memikul beban yang menimbulkan lenturan krn tumpukan bata tsb akan mudah berantakan.
• Cangkang ( Struktur kaku ) bentuk struktural tiga dimensional yang kaku dan tipis yang mempunyai permukan lengkung. Permukaan cangkang dapat mempunyai sembarang bentuk.
• Kubah ( Struktur kaku ) Kubah terbuat dari material kaku seperti beton bertulang tipis dan bisa juga dibuat dari tumpukan bata. Struktur cangkang atau kubah sangat efisien untuk digunakan pada bentang besar , dengan material yang relatif sedikit
• Jaring ( Struktur tidak kaku / fleksible ) permukaan 3 dimensi yang terbuat dari sekumpulan kabel lengkung yang melintang.Keuntungan penggunaan kabel melintang adalah bahwa penempatan kabel tsb dapat mencegah atap dari getaran akibat tekanan dan isapan angin
• Struktur tenda ( Struktur tidak kaku ) Tenda biasa dibuat dari permukaan membran atau lembaran tipis dan fleksibel
• Struktur kabel ( Struktur tidak kaku ) elemen struktur fleksibel. Bentuknya sangat bergantung pada besar dan perilaku beban yang bekerja padanya
KESTABILAN STRUKTUR
Tujuan merencanakan struktur adalah menjamin kestabilan pada segala kondisi pembebanan yang mungkin terjadi.
- Pada struktur stabil deformasi yang diakibatkan oleh beban pada umumnya kecil , dan gaya internal yang timbul di dalam struktur mempunyai kecenderungan mengembalikan bentuk struktur kebentuk semula apabila beban dihilangkan.
STRUKTUR TIDAK STABIL
1) Pada struktur tak stabil , deformasi yang diakibatkan oleh beban pada umumnya mempunyai kecenderungan untuk terus bertambah selama struktur tsb dibebabni. 2) Struktur yang tidak stabil tidak memberikan gaya-gaya internal yang mempunyai kecenderungan mengembalikan bentuk struktur ke bentuk semula.
3) Struktur yang tidak stabil mudah mengalami keruntuhan secara menyeluruh dan seketika begitu dibebani.
JENIS KONDISI PEMBEBANAN.
• Beban terdiri dari : gaya statis dan gaya dinamis . Gaya Statis terdiri dari
• beban hidup : Beban penggunaan , beban lingkungan ( hujan , salju ) • Beban tetap ( tidak pindah ) : berat sendiri struktur dan berat elemen gedung. Tertentu. • Gaya akibat penurunan , efek suhu tegangan ,dsb
Gaya dinamis terdiri dari :
• Gaya menerus : gaya inersia ( gerak tanah pada saat gempa bumi ) dan gaya angin. Gaya impak misalnya ledakan
SISTEM STRUKTUR ARCH ( LENGKUNG)
Sistem lengkung dibentuk oleh elemen garis yang melengkung dan membentang di antara dua titik. Pada umumnya
terdiri atas potongan-potongan kecil yang mempertahankan posisinya akibat adanya tekanan dari beban
Pelengkung dengan tiga sendi dapat berupa struktur yang terdiri atas dua bagian kaku yang saling dihubungkan oleh sendi dan mempunyai tumpuan sendi. Apabila kedua segmen tidak membentuk funicular untuk satu kondisi beban, dan ini juga umum terjadi, sebutan “pelengkung” tentunya agak keliru. Meskipun demikian, sebutan “pelengkung” pada struktur tiga sendi ini masih secara umum digunakan, baik untuk yang bentuknya funicular maupun yang tidak.
Struktur pelengkung tiga sendi dikembangkan oleh rekayasawan Prancis dan Jerman pada pertengahan abad ke-19, khususnya untuk mengatasi kesulitan perhitungan pada jenis pelengkung sebelumnya (pelengkung jepit). Adanya sendi pada puncak dan fondasi struktur memungkinkan adanya gaya internal maupun gaya vertikal dihitung secara tepat sehingga bentuk funicular untuk setiap bagian dapat dengan tepat ditentukan.
ANALISA DAN DESAIN PELENGKUNG Pelengkung Bata
Pelengkung bata mendasarkan kemampuan pikul bebannya pada bentuk geometri yang lengkung,yang hanya menyebabkan gaya tekan pada balok – balok yang berdekatan.bata secara alamitidak mampu menahan tegangan tarik yang menyebabkan retak mendadak dan ketidak stabilan pada seluruh struktur .Analisa perubahan bentuk tersebut digunakan oleh rekayasawan pada masa silam untuk memahami perilaku pelengkung bata .
Pelengkung Kaku
Parabolik : Beban
terdistributor merata
Dengan adanya bahan baja dan beton bertulang.Kekakun elemen bahan tersebut memungkinkan adanya pelengkung dengan bentuk beraneka ragam dan dapat memikul beban tak terduga tanpa runtuh.Pelengkung kaku modern sering dibentuk berdasarkan respon terhadap kondisi pembebanan dan memikul beban secara tekan apabila beban tersebut benar bekerja dan mempunyai tahanan lentur yang cukup untuk memikul variasi pembebanan.tentu saja struktur tersebut tidak dapat furnicular untuk beban yang baru ini .karenan perbedaan dalam hal inilah maka pelengkung kaku sangat berbeda dengan kabel fleksibel.Suatau kabel fleksibel harus selalu berubah menurut perubahan beban,sementara pelengkung kaku akan tidak ada momen untuk satu kondisi pembebanan,dan mampu memikul kondisi lain sambil mengalami momen.Menganalisa pelengkung parabolic untuk beban titik merupakan hal yangasulit dan diluar
ruang lingkup .beban demikian jelas menimbulkan lentur,beban terpusat berjarak dekat akan mendekati beban terbagi rata,sehingga lentur tidak akan begitu besar
Pelengkung Furnicular : Beban terpusat
Dapat memikul semua beban secara aksial tekan dapat ditentukan untuk kondisi pembebanan lain.untuk sederetan beban terpusat,tinggi maksimum ditentukan ,dengan tinggi – tinggi yang lain sehubung dengan beban – beban lainnya dihitung berdasarkan efek rotasional pada potongan benda bebas terhadap sembarang titik pada lengkung sama dengan nol (karena tidak dapat momen) Pelengkung Tiga Sendi
Berupa struktur yang terdiri atas dua bagian kaku yang saling dihubungkan oleh sendi dan mempunyai tumpuan sendi .Apabila kedua segmen tidak membentuk furnicular untuk satu kondisi beban,khusunya untuk mengatasi kesulitan perhitungan pada jenis pelengkung sebelumnya (pelengkung jepit)
Keuntungan tiga sendi :
1. Adanya sendi pada puncak dan pondasi struktur memungkinkan adanya gaya internal maupun gaya vertical dihitung secara tepat sehingga bentuk funicular untuk setiap bagian dapat degan tepat ditentukan.
2. Pelengkung 3 sendi memungkinkan terjadinya rotasi relative antara elemen-elemen struktur sehingga mengurangi tegangan akibat ekspansi dan kontraksi temperatur.
Desain Struktuktur Pelengkung
Hubungan erat antara bentuk struktur dan kondisi beban dan tumpuan apabila strukturnya berperilaku secara furnicular .Apabila bentuk struktur berkaitan dengan bentuk furnicular untuk pembebanan yang ada .Suatu pelengkung yang memiliki beban terdistribusi merata harus berbentuk parabolic apabila diinginkan untuk berperilaku secara furnicular .gaya – gaya yang timbul pada titik – titik sendi tidak tergantung langsung pada bentuk kedua segmen melainkan pada kondisi pembebanan dan geometri yang ada .jadi,gaya – gaya disendi dapat ditentukan secara pendekatan sebelum bentuk pengkung ditentukan.Selanjutnya gaya – gaya ini dapat digunakan untuk menentukan bentuk yang cocok .Dengan melakukan analisa seluruh system gaya yang bekerja pada setiap segmen pada struktur – struktur tersebut kita dapat member
bentuk setiap segmen sedemikian hingga momen lenturnya minimum .
Salah satu dari aspek penting pada pelengkung modern adalah bahwa struktur dapat didesain untuk menahan variasi beban tanpa terjadi perubahan bentuk yang mencolok maupun kerusakan ,hanya pelengkung yang didesain dengan material kakuseperti bahan atau beton bertulang,yang mempunyai
kemampuan demikian. Agar
pelengkung itu mampu
memikul variasi beban tersebut ,kita harus mendesain sedemikian besarnya agar cukup untuk memikul kombinasi momen lentur dan gaya aksial. Masalah besar dalam desain pelengkung adalah apakah system yang memikul gaya horizontal pada ujung – ujungnya itu batang horizontal atau fondasi .karna batang horizontal pada
struktur ini merupakan struktu tarik ,dengan demikian fondasi hanya diperlukan untuk memikul reaksi vertical dan dapat didesain dengan cara yang relative lebih sederhana dibandingkan dengan yang harus memikul jyga gaya horizontal.
Pemilihan Kondisi Ujung Pada desain struktur pelengkung kaku ,penentuan bagaimana
kondisi pada ujung adalah hal
yang cukup
penting. Ada
tiga jenis utama pelengkung berdasarkan konsi ujungnya ,pelengkung tiga sendi ,pelengkung dua sendi dan pelengkung jepit.
Apabila didesain sebagai bentuk yang furnicular untuk suatu jenis beban ,perilaku ketiga jenis struktur kaku sama saja terhadap beban tersebut .Perbedaan yang ada hanyalah pada kondisi ujung tumpuan yang dipakai . gaya internal yang timbul sama saja .Faktor – faktor yang penting meliputi efek penurunan tumpuan ,efek perpanjangan atau perpendekan elemen struktur akibat perubahan temperature ,dan besar relative devleksi akibat beban.
Perilaku Lateral pada pelengkung bagaimana mengatasi perilaku pelengkung pada arah lateral .jelas bahwa pada umumnya pelengkung yang terletak pada suatu bidang vertical harus dicegah dari goyangan lateral .Ada dua mekanisme yang umumnya dipakai untuk mencegah hal ini . Salah satunya adalah menggunakan tumpuan jepit .Namun ada kerugia tertentu pada penggunaan
tumpuan jepituntuk mencegah ketidakstabilan lateral juga memerlukan fondasi pasif agar guling tidak terjadi ..cara lain memperoleh kestabilan lateral adalah dengan menggunakan elemen struktur lain yang dipasang secar tranversal terhadap pelngkung tersebut .sepasang pelengkung di tepi – tepi struktur lengkap dapat distabilkan dengan menggunakan elemen – elemen diagonal .pelengkung interior dapat distabilkan dengan cara menghubungkan dengan pelengkung lainnya dengan menggunaka elem struktur transversal .
Masalah kedua yang penting pada perilaku lateral pelengkung ialah masalah teku lateral ,karena gaya internal yang timbul pada pelengkung biasanya tidak terlalu besar ,desain pelengkung dengan menggunakan material bermutu tinggi misalkan baja akan menghasilkan elemen yang relative langsing ,seperti pada rangka batang ,salah satu pemecahan lainnya adalah dengan menggukan pengkaku yang diletakkan pada jarak tertentu dengan penggunaan elemen – elemen pengkaku lateral ,struktur pelenkung yang digunakan dapat yang langsung ,perlu diperhatikan bahwa system yang digunakan untuk menstabilkan pelengkung terhadap guling secara lateral juga memberikakan pengkakuan lateral pada pelengkung dan dapat mencegah terjadinya tekuk lateral
Pelengkung tiga sendi memungkinkan terjadinya rotasi relatif diantara elemen-elemen struktur sehingga mengurangi tegangan
Pelengkung dua sendi lebih kaku dari pada pelengkung tiga sendi, tetapi tidak kurang kaku dibandingkan dengan pelengkung jepit.
Pelengkung jepit sangat dipengaruhi oleh ekspansi dan kontraksi temperatur, karena tidak ada mekanisme yang mengurangi momen, maka momen yang timbul relatif besar.
Pelengkung jepit adalah yang paling kaku sehingga defleksinya paling kecil.
Berdasarkan kekakuan, dapat diklasifikasikan apakah suatu struktur kaku atau fleksibel.Elemen kaku biasanya sebagai batang,
tidak mengalami perubahan bentuk yang cukup besar di bawah pengaruh gaya atau pada perubahan gaya yang diakibatkan oleh beban. Namun meskipun demikian, struktur ini selalu bengkok meskipun sangat kecil, apabila dibebani.
Beban
Disini beban mati adalah berat rangka baja dan perkerasan jalan. Sedang beban hidupnya adalah beban angin, dan gempa. Setelah dimensi dari struktur itu diketahui, sangat penting kemudian menentukan beban apa saja yang ditanggung dari struktur. Beban disain biasanya dispesifikasi oleh peraturan bangunan yang berlaku. Untuk wilayah hukum Indonesia digunakan SNI 03 1727 1989 Perencanaan Pembebanan Untuk Rumah dan Gedung. Ada dua jenis beban pada struktur yang harus dipertimbangkan dalam desain. Tipe pertama ini disebut dengan Beban mati yang merupakan berat dari kumpulan setiap anggota struktur maupun berat objek benda yang ditempatkan secara permanen. Sebagai contoh, kolom, balok, balok penopang (girder), pelat lantai, dinding, jendela, plumbing, alat listrik, dan lain sebagainya. Kedua adalah Beban hidup, yang mana beban yang bergerak atau bervariasi dalam ukuran maupun lokasi. Contohnya adalah beban kendaraan pada jembatan, beban pengunjung pada gedung, beban hujan, beban salju, beban ledakan, beban gempa, dan beban alami lainnya.
Beban angin
Bila struktur merintangi aliran angin, energi kinetik angin dikonversikan ke dalam energi potensial tekanan, yang menyebabkan terjadinya suatu pembebanan angin. Efek angin pada
struktur bergantung pada kerapatan dan kecepatan udara, sudut datang angin, bentuk dan kekakuan struktur dan kekesaran permukaannya. Pembebanan angin bisa ditinjau dari pendekatan statik maupun dinamik.
Beban gempa
menghasilkan pembebanan pada suatu struktur melalui interaksi gerakan tanah dan karakteristik respon struktur. Pembebanan ini merupakan hasil dari distorsi struktur yang disebabkan oleh gerakan tanah dan kekakuan struktur. Besarnya bergantung pada banyak dan tipe percepatan gerak tanah, masa dan kekakuan struktur. Pembebanan dan analisis gempa di Indonesia merujuk pada SNI 03 1726 2010 Standar Perencanaan Ketahanan Gempa Untuk Struktur Bangunan Gedung dan Non Gedung.
Tekanan Hidrostatik dan Tekanan Tanah
Bila struktur-struktur digunakan untuk menahan air, tanah atau materi glanural, tekanan yang dihasilkan oleh beban-beban ini menjadi suatu kriteria desain yang penting. Contohnya adalah bendungan atau dinding penahan (retaining wall). Disini hukum-hukum hidrostatik dan mekanika tanah dipakai untuk menentukan pembebanan struktur.
CONTOH BANGUNAN BENTANG LEBAR
Deskripsi Bangunan
Bandara sultan hasanuddin, provinsi sulawesi selatan. Bandara ini memiliki fasilitas hampir sama dengan Bandara Internasional Soekarno-Hatta di Jakarta. Pemilihan arsitek dalam negeri diprakrasai oleh Pak Jusuf Kalla yang pada waktu itu masih menjabat Sebagai Wakil dari Presiden Susilo Bambang Yudhoyono. Lokasi : Terletak 30 km dari kota Makassar
Tahun Pembangunan :
Arsitek/Desainer: Dibangun oleh Tenaga Ahli dari Indonesia dengan bantuan desain Arsitektur dari PT. Atelier Enam dan dari berbagai ahli konstruksi yang mendukung.
Konsep Struktur
Struktur Kolom utama penyangga atap Bandara Sultan Hasanuddin menggunakan konstruksi rangka baja, sedangkan kolom yang menyangga plat lantai (lantai 2 dan 3) menggunakan
kolom beton. Karena bentang antar kolom memiliki bentang lebar (30 m) maka sistem pembalokan juga menggunakan balok rangka. Hal ini untuk menghindari penggunaan balok beton dengan dimensi yang besar.
Atap terminal Bandara Internasional Hasanuddin menggunakan struktur rangka baja (trust frame) yang berbentuk busur. Penutup atap menggunakan material metal sheet jenis titanium. Terminal bandara ini dibagi menjadi 7 bagian untuk menghindari pergeseran yang dapat mengakibatkan kerusakan pada bangunan.
2. Bandara Internasional Beijing, Cina
Deskripsi Bangunan
Lokasi : Beijing, Cina
Area : 1 300 000 m²
Tahun pembangunan : 2003-2008
Architec/desainer : Foster +
Structural & Mechanical Engineers : Arup
Landscape Architec : Michel Desvigne
Retail Consultant : Design
Solutions
Architectural Technical Specifications : Schumann Smith
Selesai dibangun sebagai pintu gerbang utama ke kota untuk Olimpiade ke-29 pada tahun 2008, terminal 3 Bandara Internasional Beijing adala salah satu bangunan terbesar di dunia. Bandara Ibu Kota berlokasi di Distrik Chaoyang, 32 km (20 mi) timur laut dari pusat kota Beijing. Bandara ini dimiliki dan dioperasikan oleh Beijing Capital International Airport Company Limited, sebuah perusahaan yang dikontrol oleh pemerintah.
Konsep Struktur
Struktur konstruksi pendukung : konstruksi rangka Kontruksi atap : atap lengkung;
atap miring
Struktur konstruksi atap :konstruksi rangka ruang (space frame)
Struktur material pendukung : beton bertulang, baja/aluminium
Aplikasi Sitem Struktur Bangunan
Denah berbentuk simetris melebar keluar membentuk dua ruang besar. Bentuknya dpertinggi oleh gerakan tunggal atap ganda melengkung. Struktur atap adalah rangka ruang modular didukung oleh kolom baja kantilever dengan ketinggian hingga 28 m. Langit-langit bangunan terbuat dari kisi-kisi aluminium. Palet warna
bergerak melalui 16 nada dari merah ke kuning. Beban yang berasal dari atap baja diarahkan secara horizontal dan vertikal melalui deck beton bertulang, balok menurun dan kolom melingkar ke grid 12 meter. Frame multi-level yang dihasilkan memberikan elastisitas, penting untuk wilayah Beijing yang rawan gempa. Atap distabilkan hanya dengan kolom baja kantilever. Hal ini memungkinkan ekspansi yang relatif terbatas dari atap dan memungkinkan untuk mendirikan seluruh tubuh utama atap tanpa sendi gerakan.
