I. DASAR-DASAR STATIKA
Kompetensi Dasar dan Indikator
Kompetensi Dasar : Menjelaskan dasar-dasar statika
Indikator : - Menguraikan definisi, maksud dan tujuan Ilmu Mekanika Teknik
- Mengidentifikasi peran mekanika teknik dalam perancangan struktur bangunan - Mengidentifikasi struktur statis tertentu - Mengidentifikasi struktur batang statis
tertentu
- Mendefinisikan macam-macam jenis beban - Mendefinisikan macam-macam bentuk
beban
- Mendefinisikan kombinasi pembebanan - Mendefinisikan macam-macam jenis
dukungan struktur
- Mendefinisikan ketentuan reaksi pada masing-masing tumpuan
Deskripsi Singkat
Bab ini berisi pengetahuan dasar tentang ilmu statika dan kegunaannya dalam disiplin ilmu teknik bangunan. Materi yang dibahas meliputi definisi, maksud, dan tujuan Ilmu Mekanika Teknik beserta perannya dalam perancangan struktur bangunan, identifikasi struktur statis tertentu dan struktur batang statis tertentu, pembebanan struktur, dan dukungan atau tumpuan struktur. Pemahaman akan materi-materi yang dibahas dalam bab ini sangat penting sebagai dasar untuk mempelajari materi selanjutnya.
Materi
A. Pendahuluan
Struktur dapat didefinisikan sebagai segala sesuatu yang dirancang untuk menyalurkan beban dalam bentuk tertentu. Misalnya, struktur jembatan kereta api berfungsi sebagai penyalur beban kereta api yang bergerak di atas jembatan, dan struktur bangunan gedung berfungsi menyalurkan beban barang maupun orang yang menggunakan gedung tersebut.
Sumber: http://blog.beswandjarum.com/okasemara/
Gambar 1. Struktur Bangunan Gedung
Gambar 2. Struktur Jembatan Rangka
Semua bentuk struktur atau bagian dari struktur mengalami gaya luar berupa pembebanan. Hal ini akan berimbas pada gaya luar lain
ataupun pada reaksi di titik pendukung struktur, misalnya yang terjadi pada sebuah kursi yang mengalami gaya luar berupa beban orang yang mendudukinya. Gaya luar tersebut ditransmisikan melalui berbagai bagian kursi dan reaksinya akan timbul pada ujung-ujung bawah kaki kursi.
Struktur dikatakan berada dalam keadaan setimbang jika dalam keadaan diam atau bergerak dengan kecepatan konstan, besarnya pembebanan dan reaksinya adalah sama. Dalam buku ini hanya akan dibahas struktur yang berada dalam kesetimbangan statik, atau dalam keadaan diam. Kondisi tersebut terjadi apabila semua gaya yang bekerja atau semua gaya yang membebani suatu struktur dan gaya-gaya reaksi dari dalam strutkur tersebut dalam keadaan seimbang. Sebagai contoh adalah gaya-gaya yang bekerja pada tangkai pengungkit seperti ditunjukkan pada gambar 3. Ketika momen gaya (besarnya gaya dikalikan jarak gaya) dari kedua sisi pengungkit besarnya sama, pengungkit akan berada dalam keadaan seimbang. Ilmu yang mempelajari tentang semua benda yang bersifat tetap atau statis dikenal dengan ilmu statika atau juga disebut ilmu keseimbangan gaya.
Sumber: edifrizal.darma.staff.mercubuana.ac.id/dl.php Gambar 3. Kesetimbangan pada tangkai pengungkit
Penentuan-penentuan besaran dalam ilmu statika dapat dilakukan dengan menggunakan metode grafis (gambar) atau dengan cara analitis (perhitungan). Pada konstruksi sederhana, penggunaan metode grafis seringkali lebih jelas dan cepat jika dibandingkan dengan metode analitis.
Akan tetapi, untuk ketepatan hasil, metode analitis lebih menjanjikan karena pada metode grafis ketepatannya sangat tergantung pada pemilihan skala dan ketelitian dalam menggambar. Kelebihan lain dari metode analitis adalah tidak bergantung pada meja atau papan untuk menggambar. Adapun untuk mengantisipasi kekurangjelasan metode analitis dapat diimbangi dengan membuat sketsa.
B. Tipe-tipe elemen struktur
Elemen struktur berdasarkan aksi strukturalnya dalam menerima dan mentransfer beban dapat dikategorikan menjadi:
1. Struktur Batang (Balok dan Kolom)
Struktur batang adalah suatu struktur yang terdiri atas satu atau lebih batang yang dapat menerima gaya normal, gaya lintang, dan momen lentur. Penampang batang pada konstruksi batang tidak selalu harus memiliki luas yang tetap di sepanjang bentangannya. Yang perlu diperhatikan, tinggi penampang batang (h) selalu lebih kecil dari panjang bentangan batang (L).
Gambar 4. Model struktur batang
Struktur ini umum dijumpai berupa elemen kaku horizontal yang diletakkan di atas elemen kaku vertikal. Pada struktur ini, elemen struktur horizontal sering disebut sebagai elemen lentur (balok), yaitu memikul beban yang bekerja pada arah transversal dari panjangnya dan mentransfer beban tersebut ke kolom vertikal yang menumpunya. Kolom dibebani beban secara aksial oleh balok, kemudian mentransfer beban tersebut ke tanah. Kolom ini hanya murni menerima gaya aksial tekan sehingga tidak melentur ataupun melendut.
Balok Ring
Lantai 1 Lantai 2 Lantai 3 Balok Ring
Balok Grid
Kolom Luar Kolom Dalam
Kolom Dalam
Gambar 5. Elemen balok dan kolom struktur bangunan gedung
L
h
2. Struktur Rangka
Struktur rangka seperti halnya struktur batang, dapat menerima gaya normal, gaya lintang, dan momen lentur. Perbedaannya terletak pada kekauan hubungan antara elemen horizontal (balok) dengan elemen vertikal (kolom) yang dihasilkan dari titik hubung kaku antarelemen tersebut (sambungan balok-kolom). Kekakuan titik hubung ini memberikan banyak kestabilan terhadap gaya lateral. Akibat adanya aksi beban pada struktur rangka, baik balok maupun kolom akan mengalami lentur.
Gambar 6. Struktur Rangka
3. Struktur Rangka Batang (Truss)
Struktur rangka batang (truss) terdiri dari elemen-elemen batang yang dihubungkan pada titik simpul, yang disusun hingga membentuk suatu geometri sedemikian, sehingga apabila diberi beban pada titik simpul (titik pertemuan antar batang), maka struktur tersebut akan menyalurkan beban ke tumpuan melalui gaya aksial (tarik atau tekan) pada batang-batangnya. Elemen-elemen batang pada struktur rangka hanya akan menyalurkan gaya normal (gaya searah sumbu memanjang batang). Secara teoritis, titik-titik simpul pada rangka batang diasumsikan sebagai sendi atau engsel, sehingga tidak bisa menahan atau menyalurkan momen ke batang yang lain.
Sumber: http://soelarsountirta.wordpress.com/2011/02/13/struktur-jembatan/
Gambar 7. Tipe-tipe Struktur Rangka Batang Jembatan
4. Struktur Pelengkung
Struktur pelengkung merupakan elemen batang yang berbentuk lengkungan yang membentang di antara dua titik tumpuan. Contoh struktur pelengkung adalah pada struktur jembatan (gambar 7 dan gambar 8.)
Sumber: http://zeniad.wordpress.com/2009/01/27/lantai-jembatan/
Gambar 8. Jembatan pelengkung atas
Sumber: http://zeniad.wordpress.com/2009/01/27/lantai-jembatan/
Gambar 9. Jembatan pelengkung bawah
5. Dinding dan Pelat datar
Struktur dinding dan pelat datar adalah struktur kaku pembentuk permukaan/bidang. Dinding struktural adalah elemen bidang yang bukan hanya sebagai material pengisi, namun juga sebagai pemikul beban.
Dinding struktural biasanya dapat memikul baik beban arah vertikal maupun beban lateral (gempa, angin dan lain-lain), yang disebut sebagai dinding geser. Pelat datar umumnya berarah horizontal dan memikul beban lentur.
Sumber: astudioarchitect.wordpress.com
Gambar 10. Struktur pelat datar pada bangunan gedung
Sumber: http://www.digitalcanal.com Gambar 11. Struktur dinding geser
6. Struktur Cangkang
Struktur tipe cangkang (shell) adalah bentuk struktural tiga dimensional yang kaku dan tipis, yang mempunyai permukaan lengkung.
Bentuk ini mengadopsi dari bentuk kulit telur serta berbagai bentuk rumah binatang seperti cangkang kepiting dan cangkang keong.
Cangkang mempunyai bentang longitudinal dan lengkungannya tegak lurus terhadap diameter bentang.
Cangkang selain bertindak sebagai penahan beban dalam bangunan juga dapat menutup ruangan yang cukup besar. Lebar cangkang dapat dibuat sangat besar jika dibandingkan dengan tipisnya pelat cangkang tadi. Oleh karena itu, struktur cangkang paling baik digunakan pada bangunan dengan bentang besar tanpa pembagian pada interior yakni stadion, stasiun, pasar, masjid, exibition hall, dan bangunan bentang besar lainnya.
Sumber:http://strukons6.blogspot.com Gambar 12. Struktur Cangkang Silindrical
Sumber: http://www.ul.ie/~gaughran/Gildea/page1.htm Gambar 13. Struktur Cangkang Bola.
7. Struktur Kabel
Struktur kabel merupakan elemen struktur penahan gaya tarik aksial yang kemudian mentransferkannya ke subsistem struktur lainnya atau ke tumpuan. Struktur kabel banyak dijumpai dalam struktur jembatan bentang panjang karena sifatnya yang fleksibel. Ukuran dan bentuk struktur kabel sangat tergantung pada besar dan perilaku beban yang bekerja padanya.
Sumber: http://www.bardaglea.org.uk Gambar 14. Struktur Jembatan Kabel
8. Membran, Tenda dan Jaring
Membran adalah lembaran tipis dan fleksibel. Tenda biasanya dibuat dari permukaan membran. Bentuk yang sederhana dan kompleks dapat dibuat dengan menggunakan membran-membran. Jaring adalah permukaan 3D yang terbuat dari sekumpulan kabel lengkung yang melintang. Jaring mempunyai analogi dengan kulit membran. Dengan memungkinkan adanya lubang saringan untuk variasi sesuai keperluan, maka sangat banyak bentuk permukaan yang dapat diperoleh. Salah satu keuntungan penggunaannya yaitu penempatan kabel dapat mencegah atap dari getaran akibat tekanan dan isapan angin. Selain itu, gaya tarik umumnya dapat diberikan pada kabel dengan alat jacking sehingga
seluruh permukaan dapat mempunyai tahanan terhadap getaran pada atap (Darma E.,2011).
Sumber: edifrizal.darma.staff.mercubuana.ac.id/dl.php Gambar 15. Model struktur membran untuk atap.
Sumber: edifrizal.darma.staff.mercubuana.ac.id/dl.php Gambar 16. Model struktur membran.
C. Pembebanan
Beban adalah segala sesuatu yang akan mempengaruhi dan ber- pengaruh pada struktur bangunan.
1. Macam-macam beban ditinjau dari jenisnya a) Beban Mati
Beban mati adalah beban yang titik tangkap gaya, besar, dan arahnya selalu tetap. Yang termasuk beban mati yaitu berat sendiri bangunan, segala unsur tambahan, penyelesaian (finishing), mesin-mesin dan fasilitas-fasilitas lainnya di dalam bangunan yang bersifat tetap dan merupakan bagian tak terpisahkan dari bangunan tersebut. Beban mati biasa diberi notasi M atau D.
Sumber: http://www.fgg.uni-lj.si
Gambar 17. Gambar beban mati pada bangunan gedung
Sumber: http://www.finehomebuilding.com
b) Beban Hidup
Beban hidup adalah semua beban yang terjadi akibat penghunian atau penggunaan bangunan. Beban hidup merupakan jenis beban yang tergantung pada fungsi waktu, sehingga besar, arah, dan posisi titik tangkap beban hidup tidak tetap di setiap waktu. Yang termasuk beban hidup di antaranya adalah beban hujan, salju, manusia, kendaraan, serta mesin-mesin atau peralatan yang tidak bersifat tetap. Beban hidup biasa diberi notasi H atau L.
Sumber: http://www.finehomebuilding.com
Gambar 19. Gambar penyaluran dan pengaruh beban hidup pada bangunan
c) Beban Angin
Beban angin adalah beban yang bekerja pada bangunan akibat adanya selisih tekanan udara. Di daerah tertentu yang mempunyai perbedaan tekanan udara sangat besar, misalnya di daerah pantai, beban angin dapat bersifat dominan jika dibandingkan dengan beban lainnya.
Beban angin biasa diberi notasi A atau W.
Sumber: http://www.finehomebuilding.com Gambar 20. Gambar beban angin d) Beban Gempa
Beban gempa adalah semua beban statik ekivalen yang bekerja pada struktur bangunan yang menirukan pengaruh perilaku gempa bumi.
Beban gempa biasa diberi notasi G atau E.
Sumber: http://www.finehomebuilding.com
e) Beban Khusus
Beban khusus adalah semua beban yang bekerja pada struktur bangunan yang terjadi akibat selisih suhu, proses pengangkatan dan pemasangan, penurunan pondasi, rangkak dan susut, gaya-gaya tambahan yang berasal dari beban hidup, yakni gaya rem, gaya sentrifugal, gaya dinamis mesin, serta pengaruh-pengaruh khusus lainnya. Beban khusus biasa diberi notasi K.
Sumber: http://cipilengineering.blogspot.com/
Gambar 22. Gambar beban akibat selisih suhu
Sumber: Sumber: http://cipilengineering.blogspot.com/
Gambar 23. Gambar beban akibat penurunan pondasi
2. Macam beban ditinjau berdasarkan bentuk titik tangkap beban a) Beban Titik
Beban titik merupakan beban dengan bidang kontak relatif/sangat kecil. Beban titik biasa diberi simbol beban P atau N dalam satuan gaya dengan penggambaran sebagai berikut.
Gambar 24. Simbol beban titik
b. Beban Merata
Beban merata merupakan beban yang memiliki besar sama pada jarak-jarak tertentu di setiap satuan luasan bidang kontak. Beban merata biasa diberi simbol beban q dalam satuan gaya per satuan panjang dengan penggambaran sebagai berikut.
Gambar 25. Simbol beban merata
c. Beban Segitiga
Beban segitiga merupakan beban yang besarnya berbanding lurus dengan jaraknya terhadap suatu titik di setiap satuan luasan bidang kontak. Beban segitiga biasa diberi simbol beban q dalam satuan gaya per satuan panjang dengan penggambaran sebagai berikut.
Gambar 26. Simbol beban segitiga
d. Beban Trapesium
Beban trapesium merupakan gabungan dari beban merata dan beban segitiga. Beban trapesium biasa diberi simbol beban q dalam satuan gaya per satuan panjang dengan penggambaran sebagai berikut.
Gambar 27. Simbol beban trapesium
3. Kombinasi Pembebanan
Semua jenis-jenis beban di atas mempunyai kemungkinan terjadi secara bersamaan pada suatu bangunan, namun adakalanya juga hanya sebagian dari beban tersebut yang terjadi. Masing-masing jenis beban mempunyai peluang terjadi pada suatu bangunan yang tidak sama. Oleh karena itu, struktur harus direncanakan mampu mendukung beban dan kombinasi beban yang diperkirakan bekerja pada struktur bangunan tersebut.
Kombinasi beban yang mungkin terjadi pada struktur menurut SNI 2002 adalah sebagai berikut.
Q = 1,4 D
Q = 1,2D + 1,6L + 0,5 (La atau H)
Q = 1,2D + 1,6 (La atau H) + (γLL atau 0,8W) Q = 1,2D + 1,3W + γLL + 0,5 (La atau H) Q = 1,2D ± 1,0E + γLL
Q = 0,9D ± (1,3W atau 1,0E) bahwasanya:
D = beban mati yang diakibatkan oleh berat konstruksi permanen, termasuk dinding, lantai atap, plafon, partisi tetap, tangga, dan peralatan layan tetap
L = beban hidup yang ditimbulkan oleh penggunaan gedung, termasuk kejut, tetapi tidak termasuk beban lingkungan seperti angin, hujan, dll
La = beban hidup di atap yang ditimbulkan selama perawatan oleh pekerja, peralatan, dan material, atau selama penggunaan biasa oleh orang dan benda bergerak
H = beban hujan, tidak termasuk yang diakibatkan genangan air W = beban angin
E = beban gempa dengan,
γL = 0,5 bila L<5 Kpa, dan γL = 1 bila L≥ 5 Kpa
D. Perletakan/Tumpuan
Setiap struktur bangunan mempunyai perletakan atau tumpuan yang berfungsi sebagai pendukung dan akan meneruskan gaya-gaya dari struktur yang didukungnya ke struktur lainnya atau ke tanah. Secara teoritis, jenis tumpuan dapat dibedakan menjadi tiga, yaitu tumpuan rol, tumpuan sendi, dan tumpuan jepit.
1. Tumpuan Rol
Tumpuan rol biasa disimbolkan sebagai berikut.
Gambar 28. Simbol perletakan rol
Konstruksi tumpuan rol biasanya berupa silinder pejal yang berada di dalam suatu bidang gelincir.
Gambar 29. Konstruksi perletakan rol
Bidang gelincir rol atau
Roller
Bidang gelincir rol
Sumber: http://myjihadsoul.wordpress.com/2011 Gambar 30. Contoh perletakan rol
Bagian atas tumpuan rol dapat bergeser atau bergerak searah bidang gelincir rol. Karena dapat bergerak pada arah bidang gelincirnya, maka tumpuan rol tidak dapat menahan gaya pada arah bidang gelincir rol.
Pada struktur dua dimensi, tumpuan rol mempunyai sifat hanya dapat menahan gaya pada arah tegak lurus bidang gelincirnya, sehingga tumpuan rol hanya memiliki satu reaksi, yaitu reaksi pada arah tegak lurus bidang gelincir rol. Maka dari itu, dalam perhitungan ada satu nilai yang belum diketahui, yaitu reaksi arah tegak lurus bidang gelincir rol.
Pada struktur tiga dimensi, tumpuan rol juga hanya memiliki satu reaksi tumpuan, yaitu pada arah tegak lurus bidang gelincir rol, bentuk rol berupa bangun bola. Tumpuan rol tidak dapat menahan momen, sehingga akan terdapat rotasi pada tumpuan rol.
2. Tumpuan Sendi
Tumpuan sendi biasa disimbolkan sebagai berikut.
Gambar 31. Simbol perletakan sendi atau
Konstruksi tumpuan sendi biasanya berupa rol di dalam suatu ruangan.
Gambar 32. Konstruksi perletakan sendi
Sumber: http://myjihadsoul.wordpress.com/2011 Gambar 33. Gambar contoh perletakan sendi
Bagian atas tumpuan dapat berotasi atau berputar terhadap bagian bawah, namun tidak dapat bergerak arah vertikal maupun horizontal.
Pada struktur dua dimensi, tumpuan sendi bersifat dapat menahan gaya–gaya pada arah horizontal maupun vertikal. Ini berarti pada tumpuan sendi 2D akan terdapat dua reaksi, yaitu reaksi arah vertikal dan arah horizontal, atau reaksi pada arah sumbu X dan sumbu Y. Dalam perhitungan, kedua reaksi tersebut menjadi dua nilai yang belum diketahui dan harus ditentukan.
Pada struktur tiga dimensi, tumpuan sendi hanya dapat menahan gaya pada arah sumbu X, gaya pada arah sumbu Y, dan gaya pada arah sumbu Z, sehingga akan terdapat tiga reaksi tumpuan. Tumpuan sendi tidak dapat menahan momen, sehingga akan terdapat rotasi pada tumpuan sendi.
3. Tumpuan Jepit
Tumpuan jepit biasa disimbolkan sebagai berikut.
Gambar 34. Simbol perletakan jepit
Konstruksi tumpuan jepit, misalnya pada tiang yang ditanam dalam pondasi.
Gambar 35. Konstruksi perletakan jepit
atau
Sumber: http://myjihadsoul.wordpress.com/2011 Gambar 36. Gambar contoh perletakan jepit
Tumpuan jepit sama sekali tidak dapat bergerak ataupun berputar.
Pada struktur dua dimensi, tumpuan jepit dapat menahan gaya pada arah sumbu X, pada arah sumbu Y, serta dapat menahan momen. Dengan demikian, pada tumpuan jepit 2D akan terdapat tiga gaya reaksi, yaitu gaya reaksi arah sumbu X, gaya reaksi arah sumbu Y, dan momen reaksi.
Dalam perhitungan, ketiga reaksi tersebut menjadi tiga nilai yang belum diketahui dan harus ditentukan.
Pada struktur tiga dimensi tumpuan jepit dapat menahan gaya-gaya pada arah sumbu X, sumbu Y, dan sumbu Z, dan dapat menahan momen dengan sumbu putar X, sumbu putar Y, dan sumbu putar Z, sehingga pada tumpuan jepit 3D akan terdapat enam reaksi tumpuan.
Daftar Bacaan Tambahan
Bambang Sulistyo Budhi. 2003. Pedoman Perkuliahan Mekanika Teknik I. Surakarta: PUSBANGJARI UNS
Frick Heinz. 1979. Mekanika Teknik 1. Yogyakarta: Kanisius Popov E.P. 1989. Mekanika Teknik terjemahan oleh Zainul Astamar.
Jakarta: Erlangga
Todd J.D. 1984. Teori dan Analisis Struktur.Jakarta: Erlangga
Yayasan Lembaga Penyelidikan Masalah Bangunan. 1983. Peraturan Pembebanan Indonesia Untuk Gedung, Direktorat
Penyelidikan Masalah Bangunan, Direktorat Jenderal Cipta Karya, Departemen Pekerjaan Umum.
Pertanyaan Kunci
A. Sebutkan macam-macam beban yang bekerja pada struktur bangunan!
B. Sebutkan jenis-jenis tumpuan beserta karakteristiknya berdasarkan gaya yang dapat ditahan!
Soal
1. Jelaskan perbedaan struktur batang dan struktur rangka!
2. Bagaimanakah sifat khas struktur rangka batang/trus?
3. Darimanakah beban mati dan beban hidup pada struktur bangunan berasal?
4. Sebut dan jelaskan bentuk titik tangkap beban!
5. Sebut dan jelaskan karakteristik jenis-jenis perletakan bangunan!
Tugas
Lakukan tinjauan lapangan pada suatu bangunan. Ambil gambar dan amati struktur tumpuan dari bangunan tersebut. Kemudian analisa termasuk jenis tumpuan apakah tumpuan bangunan tersebut, beserta alasan-alasannya. Uraikan juga beban-beban yang mungkin timbul pada bangunan tersebut!
