Konsep Sambungan Struktur Baja

6.3.1. Sistem Struktur dengan Konstruksi Baja

Hampir semua sistem konstruksi baja berat terbuat dari elemenelemen linear yang membentang satu arah. Berbagai penampang baja profil dengan flens lebar yang tersedia dalam berbagai ukuran dapat digunakan. Banyaknya ukuran penampang ini memungkinkan fleksibilitas dalam desain elemen balok-dan-kolom. Meskipun hubungan sederhana (sendi) umumnya digunakan pada sistem ini, kita dapat dengan mudah membuat titik hubung  yang mampu memikul momen. Struktur rangka yang titik-titik hubungnya mampu memikul momen, mempunyai tahanan terhadap beban lateral cukup besar. Kestabilan lateral juga dapat ditingkatkan dengan menggunakan dinding geser atau elemen pengekang diagonal.

BALOK

Bentuk sayap lebar biasanya digunakan sebagai elemen yang membentang secara horizontal [lihat Gambar 6.7(a)]. Interval bentang yang mungkin untuk elemen ini sangat lebar. Elemen ini biasanya ditumpu sederhana kecuali apabila aksi rangka diperlukan untuk menjamin stabilitas, di mana hubungan yang mampu memikul momen digunakan. Bentuk-bentuk lain, seperti kanal, kadang-kadang digunakan untuk memikul momen, tetapi biasanya terbatas pada beban ringan dan bentang pendek.

GIRDER PLAT

Girder plat adalah bentuk khusus dari balok dengan penampang tersusun [Iihat Gambar 6.7(d)], Elemen ini dapat dirancang untuk berbagai macam beban maupun bentang yang dibutuhkan. Elemen struktur ini sangat berguna apabila beban yang sangat besar harus dipikul oleh bentang menengah. Elemen ini sering digunakan, misalnya sebagai elemen penyalur beban utama yang memikul beban kolom pada bentang bersih.

KONSTRUKSI KOMPOSIT

Banyak sistem struktural yang tidak dapat dikelompokkan secara mudah menurut material yang digunakan. Sistem balok komposit seperti terlihat pada Gambar 6.7(c) sering kita jumpai. Dalam hal ini, baja adalah bagian yang diletakkan pertama kali, kemudian beton dicor di sekitar penghubung geser (shear connectors) di atas balok baja. Adanya penghubung geser tersebut menyebabkan balok baja dan beton di atasnya bekerja secara integral. Dengan demikian terbentuk penampang T dengan baja sebagai bagian yang mengalami tarik, dan beton yang mengalami tekan.

RANGKA BATANG DAN JOIST BATANG TERBUKA

Merupakan variasi tak hingga dari konfigurasi rangka batang yang mungkin digunakan. Rangka batang dapat juga dibuat atau dirancang secara khusus untuk bentang dan beban yang sangat besar. Joist web terbuka yang merupakan produksi besar-besaran [lihat Gambar 6.7(b)], dapat digunakan baik untuk sistem lantai maupun atap. Elemen ini umumnya relatif ringan dan terdistribusi merata. Joist web terbuka umumnya ditumpu sederhana, tetapi bila diperlukan dapat dibuat hubungan kaku. Pada sistem yang sama dapat digunakan joist web terbuka dan flens lebar yang mempunyai titik hubung yang dapat memikul momen sehingga kita mendapat aksi rangka yang dapat menahan beban lateral.

PELENGKUNG

Pelengkung kaku dengan berbagai bentuk dapat dibuat dari baja. Pelengkung yang telah dibuat di luar lokasi (prefabricated) dan telah tersedia untuk bentang kecil sampai menengah. Telah ada pelengkung yang dirancang secara khusus dan mempunyai bentang sangat panjang [misalnya bentang 300 ft (90 m) atau lebih]. Pelengkung baja dapat dibuat dari penampang masif atau dinding terbuka.

CANGKANG

Banyak bentuk cangkang yang menggunakan baja. Masalah utama dalam penggunaan baja untuk memperoleh permukaan berkelengkungan ganda adalah memuat bentuk dari elemen-elemen garis. Pada kubah, misalnya, baik pendekatan dengan rusuk atau geodesik adalah mungkin. Dek baja ringan yang berdimensi kecil umumnya digunakan untuk membentuk permukaan terluarnya. Pada situasi bentang kecil, permukaan baja melengkung dapat dibuat dengan menekan lembaran baja secara khusus agar serupa dengan cara yang digunakan dalam membuat bentuk baja berkelengkungan tunggal maupun ganda pada badan mobil.

STRUKTUR KABEL

Baja adalah satu-satunya material yang dapat digunakan sebagai struktur kabel. Bentuk struktur kabel yang dapat dibuat tak hinggabanyaknya. Kabel dapat digunakan untuk atap permanen yang permukaan penutupnya dapat berupa elemen rangka datar kaku atau permukaan membran.

UKURAN ELEMEN

Gambar 6.8 mengilustrasikan batas-batas perbandingan tinggi bentang untuk beberapa sistem struktur baja yang umum digunakan. Kolom baja struktural umumnya mempunyai perbandingan tebal-tinggi bervariasi antara 1 : 24 dan 1 : 9, yang tergantung pada beban dan tinggi kolom. Keseluruhan kemungkinan bentang yang dapat dicapai dari beberapa sistem terangkum dalam gambar 6.9.

Setiap struktur adalah gabungan dari bagian-bagian tersendiri atau batang-batang yang harus disambung bersama (biasanya di ujung batang) dengan beberapa cara. Sambungan terdiri dari komponen sambungan (pelat pengisi, pelat buhul, pelat pendukung, dan pelat penyambung) dan alat pengencang (baut dan las).

6.3.2. Jenis Alat Sambung Bukan Las

Jenis-jenis sambungan struktur baja yang digunakan adalah pengelasan serta sambungan yang menggunakan alat penyambung berupa paku keling (rivet) dan baut. Baut kekuatan tinggi (high strength bolt) telah banyak menggantikan paku keling sebagai alat utama dalam sambungan struktural yang tidak dilas.

a) Baut kekuatan tinggi

Dua jenis utama baut kekuatan (mutu) tinggi ditunjukkan oleh ASTM sebagai A325 dan A490. Baut ini memiliki kepala segienam yang tebal dan digunakan dengan mur segienam yang setengah halus (semifinished) dan tebal seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.10(b). Bagian berulirnya lebih pendek dari pada baut non-struktural, dan dapat dipotong atau digiling (rolled).

Baut A325 terbuat dari baja karbon sedang yang diberi perlakuan panas dengan kekuatan leleh sekitar 81 sampai 92 ksi (558 sampai 634 MPa) yang tergantung pada diameter. Baut A490 juga diberi perlakuan panas tetapi terbuat dari baja paduan (alloy) dengan kekuatan leleh sekitar 115 sampai 130 ksi (793 sampai 896 MPa) yang tergantung pada diameter. Baut A449 kadang-kadang digunakan bila diameter yang diperlukan berkisar dari II sampai 3 inci, dan juga untuk baut angkur serta batang bulat berulir. Diameter baut kekuatan tinggi berkisar antara ½ dan 1 ½ inci (3 inci untuk A449). Diameter yang paling sering digunakan pada konstruksi gedung adalah 3/4 inci dan 7/8 inci, sedang ukuran yang paling umum dalam perencanaan jembatan adalah 7/8 inci dan 1 inci.

Baut kekuatan tinggi dikencangkan (tightened) untuk menimbulkan tegangan tarik yang ditetapkan pada baut sehingga terjadi gaya jepit (klem/clamping force) pada sambungan. Oleh karena itu, pemindahan beban kerja yang sesungguhnya pada sambungan terjadi akibat adanya gesekan (friksi) pada potongan yang disambung. Sambungan dengan baut kekuatan tinggi dapat direncanakan sebagai tipe geser (friction type), bila daya tahan gelincir (slip) yang tinggi dikehendaki; atau sebagai tipe tumpu (bearing type), bila daya tahan gelincir yang tinggi tidak dibutuhkan.

b) Paku keling

Sudah sejak lama paku keling diterima sebagai alat penyambung batang, tetapi beberapa tahun terakhir ini sudah jarang digunakan di Amerika. Paku keling dibuat dari baja batangan dan memiliki bentuk silinder dengan kepala di salah satu ujungnya. Baja paku keling adalah baja karbon sedang dengan identifikasi ASTM A502 Mutu I (Fv = 28 ksi) (1190 MPa) dan Mutu 2 (Fy = 38 ksi) (260 MPa), serta kekuatan leleh minimum yang ditetapkan didasarkan pada bahan baja batangan. Pembuatan dan pemasangan paku keling menimbulkan perubahan sifat mekanis. Proses pemasangannya adalah pertama paku keling dipanasi hingga warnanya menjadi merah muda kemudian paku keling dimasukkan ke dalam lubang, dan kepalanya ditekan sambil mendesak ujung lainnya sehingga terbentuk kepala lain yang bulat. Selama proses ini, tangkai (shank) paku keling mengisi lubang (tempat paku dimasukkan) secara penuh atau hampir penuh, sehingga menghasilkan gaya jepit (klem). Namun, besarnya jepitan akibat pendinginan paku keling bervariasi dari satu paku keling ke lainnya, sehingga tidak dapat diperhitungkan dalam perencanaan. Paku keling juga dapat dipasang pada keadaan dingin tetapi akibatnya gaya jepit tidak terjadi karena paku tidak menyusut setelah dipasang.

c) Baut Hitam

Baut ini dibuat dari baja karbon rendah yang diidentifikasi sebagai ASTM A307, dan merupakan jenis baut yang paling murah. Namun, baut ini belum tentu menghasilkan sambungan yang paling murah karena banyaknya jumlah baut yang dibutuhkan pada suatu sambungan. Pemakaiannya terutama pada struktur yang ringan, batang sekunder atau pengaku, anjungan (platform), gording, rusuk dinding, rangka batang yang kecil dan lain-lain yang bebannya kecil dan bersifat statis. Baut ini juga dipakai sebagai alat penyambung sementara pada sambungan yang menggunakan baut kekuatan tinggi, paku keling, atau las. Baut hitam (yang tidak dihaluskan) kadangkadang disebut baut biasa, mesin, atau kasar, serta kepala dan murnya dapat berbentuk bujur sangkar.

d) Baut Sekrup (Turned Bolt)

Baut yang secara praktis sudah ditinggalkan ini dibuat dengan mesin dari bahan berbentuk segienam dengan toleransi yang lebih kecil (sekitar 5’0 inci.) bila dibandingkan baut hitam. Jenis baut ini terutama digunakan bila sambungan memerlukan baut yang pas dengan lubang yang dibor, seperti pada bagian konstruksi paku keling yang terletak sedemikian rupa hingga penembakan paku keling yang baik sulit dilakukan. Kadang-kadang baut ini bermanfaat dalam mensejajarkan peralatan mesin dan batang struktural yang posisinya harus akurat. Saat itu baut sekrup jarang sekali digunakan pada sambungan struktural, karena baut kekuatan tinggi lebih baik dan lebih murah.

e) Baut Bersirip (Ribbed Bolt)

Baut ini terbuat dari baja paku keling biasa, dan berkepala bundar dengan tonjolan sirip-sirip yang sejajar tangkainya. Baut bersirip telah lama dipakai sebagai alternatif dari paku keling. Diameter yang sesungguhnya pada baut bersirip dengan ukuran tertentu sedikit lebih besar dari lubang tempat baut tersebut. Dalam pemasangan baut bersirip, baut memotong tepi keliling lubang sehingga diperoleh cengkraman yang relatif erat. Jenis baut ini terutama bermanfaat pada sambungan tumpu (bearing) dan pada sambungan yang mengalami tegangan berganti (bolak-balik). Variasi dari baut bersirip adalah baut dengan tangkai bergerigi (interference-body bolt.) yang terbuat dari baja baut A325. Sebagai pengganti sirip longitudinal, baut ini memiliki gerigi keliling dan sirip sejajar tangkainya. Karena gerigi sekeliling tangkai memotong sirip sejajar, baut ini kadang-kadang disebut baut bersirip terputus (interrupted-rib). Baut bersirip sukar dipasang pada sambungan yang terdiri dari beberapa lapis pelat. Baut kekuatan tinggi A325 dengan tangkai bergerigi yang sekarang juga sukar dimasukkan ke lubang yang melalui sejumlah plat; namun, baut ini digunakan bila hendak memperoleh baut yang harus mencengkram erat pada lubangnya. Selain itu, pada saat pengencangan mur, kepala baut tidak perlu dipegang seperti yang umumnya dilakukan pada baut A325 biasa yang polos.

6.3.3. Sistem Sambungan Baut

Jenis baut yang dapat digunakan untuk struktur bangunan sesuai SNI 03 – 1729 – 2002 TATA CARA PERENCANAAN STRUKTUR BAJA UNTUK BANGUNAN GEDUNG adalah baut yang jenisnya ditentukan dalam SII (0589-81, 0647-91 dan 0780-83, SII 0781-83) atau SNI (0541-89-A, 0571-89-A, dan 0661-89-A) yang sesuai, atau penggantinya. Baut yang digunakan pada sambungan struktural, baik baut A325 maupun baut A490 merupakan baut berkepala segi enam yang tebal.

Keduanya memiliki mur segi enam tebal yang diberi tanda standar dansimbol pabrik pada salah satu mukanya. Bagian berulir baut dengan kepala segienam lebih pendek dari pada baut standar yang lain; keadaan ini memperkecil kemungkinan adanya ulir pada tangkai baut yang memerlukan kekuatan maksimum.

a) Beban leleh dan penarikan baut

Syarat utama dalam pemasangan baut kekuatan tinggi ialah memberikan gaya pratarik (pretension) yang memadai. Gaya pratarik harus sebesar mungkin dan tidak menimbulkan deformasi permanen atau kehancuran baut. Bahan baut menunjukkan kelakuan tegangan-regangan (beban-deformasi) yang tidak memiliki titik leleh yang jelas. Sebagai pengganti tegangan leleh, istilah beban leleh (beban tarik awal/proof load) akan digunakan untuk baut. Beban leleh adalah beban yang diperoleh dari perkalian luas tegangan tarik dan tegangan leleh yang ditentukan berdasarkan regangan tetap (offset strain) 0,2% atau perpanjangan 0,5% akibat beban. Tegangan beban leleh untuk baut A325 dan A490 masingmasing minimal sekitar 70% dan 80% dari kekuatan tarik maksimumnya.

b) Teknik pemasangan

Tiga teknik yang umum untuk memperoleh pratarik yang dibutuhkan adalah metode kunci yang dikalibrasi (calibrated wrench), metode putaran mur (turn-of the nut), dan metode indikator tarikan langsung (direct tension indicator). Metode kunci yang dikalibrasi dapat dilakukan dengan kunci puntir manual (kunci Inggris) atau kunci otomatis yang diatur agar berhenti pada

harga puntir yang ditetapkan. Secara umum, masing-masing proses pemasangan memerlukan minimum 2 1/4 putaran dari titik erat untuk mematahkan baut. Bila metoda putaran mur digunakan dan baut ditarik secara bertahap dengan kelipatan 1/8 putaran, baut biasanya akan patah setelah empat putaran dari titik erat. Metode putaran mur merupakan metode yang termurah, lebih handal, dan umumnya lebih disukai.

Metode ketiga yang paling baru untuk menarik baut adalah metode indikator tarikan langsung. Alat yang dipakai adalah cincin pengencang dengan sejumlah tonjolan pada salah satu mukanya. Cincin dimasukkan di antara kepala baut dan bahan yang digenggam, dengan bagian tonjolan menumpu pada sisi bawah kepala baut sehingga terdapat celah akibat tonjolan tersebut. Pada saat baut dikencangkan, tonjolan-tonjolan tertekan dan memendek sehingga celahnya mengecil. Tarikan baut ditentukan dengan mengukur lebar celah yang ada.

c) Perancangan sambungan baut

Sambungan-sambungan yang dibuat dengan baut tegangan tinggi digolongkan menjadi:

? Jenis sambungan gesekan

? Jenis sambungan penahan beban dengan uliran baut termasuk dalam bidang geseran [Gambar 6.11(a)]

? Jenis sambungan penahan beban dengan uliran baut tidak termasuk dalam bidang geseran [Gambar 6.11(b)]

Sambungan-sambungan baut (tipe N atau X) atau paku keling bisa mengalami keruntuhan dalam empat cara yang berbeda.

? Pertama, batang-batang yang disambung akan merigalaini keruntuhan melalui satu atau lebih lubang-lubang alat penyambungan akibat bekerjanya gaya tarik (Iihat Gambar 6.12a).

? Kedua, apabila lubang-lubang dibor terlalu dekat pada tepi batang tarik, maka baja di belakang alat-alat penyaTnbung akan meleteh akibat geseran (Iihat Gambar 6.12b).

? Ketiga, alat penyambungnya sendiri mengalami keruntuhan akibat bekerjanya geseran (Gambar 6.12.c).

? Keempat, satu-satu atau lebih batang tarik mengalami keruntuhan karena tidak dapat menahan gaya-gaya yang disalurkan oleh alatalat penyambung (Gambar 6.12d). Untuk mencegah terjadinya keruntuhan maka baik sambungan maupun batang-batang yang disambung harus direncanakan supaya dapat mengatasi keempat jenis keruntuhan yang dikemukakan di atas.

? Pertama, untuk menjamin tidak terjadinya keruntuhan pada bagianbagian yang disambung, bagian-bagian tersebut harus direncanakan sedemikian rupa, sehingga tegangan tarik yang bekerja pada penampang bruto lebih kecil dari 0,6 Fy, dan yang bekerja pada penampang etektif netto lebih kecil dari 0,5 Fy.

? Kedua, untuk mencegah robeknya baja yang terletak di belakang alat penyambung, maka jarak minimum dari pusat lubang alat penyambung ke tepi batang dalam arah yang sarna dengan arah gaya tidak boleh kurang dari 2 P/ Fu t . Di sini P adalah gaya yang ditahan oleh alat penyambung, dan t adalah tebal kritis dari bagian yang disambung.

? Ketiga, untuk menjamin supaya alat penyambung tidak runtuh akibat geseran, maka jumlah alat penyambung harus ditentukan sesuai dengan peraturan, supaya dapat membatasi tegangan geser maksimum yang terjadi pada bagian alat penyambung yang kritis.

? Keempat, untuk mencegah terjadinya kehancuran pada bagian yang disambung akibat penyaluran gaya dari alat penyambung ke batang maka harus ditentukan jumlah minimum alat penyarnbung yang dapat mencegah terjadinya kehancuran tersebut.

6.3.4. Sambungan las

Proses pengelasan merupakan proses penyambungan dua potong logam dengan pemanasan sampai keadaan plastis atau cair, dengan atau tanpa tekanan. “Pengelasan” dalam bentuk paling sederhana telah dikenal dan digunakan sejak beberapa ribu tahun yang lalu. Para ahli sejarah memperkirakan bahwa orang Mesir kuno mulai menggunakan pengelasan dengan tekanan pada tahun 5500 sebelum masehi (SM), untuk membuat pipa tembaga dengan memalu lembaran yang tepinya saling menutup. Disebutkan bahwa benda seni orang Mesir yang dibuat pada tahun 3000 SM terdiri dari bahan dasar tembaga dan emas hasil peleburan dan pemukulan. Jenis pengelasan ini, yang disebut pengelasan tempa (forge welding), merupakan usaha manusia yang pertama dalam menyambung dua potong logam. Dewasa ini pengelasan tempa secara praktis telah ditinggalkan dan terakhir dilakukan oleh pandai besi. Pengelasan yang kita lihat sekarang ini jauh lebih kompleks dan sudah sangat berkembang.

Asal mula pengelasan tahanan listrik (resistance welding) dimulai sekitar tahun 1877 ketika Profesor Elihu Thompson memulai percobaan pembalikan polaritas pada gulungan transformator. Dia mendapat hak paten pertamanya pada tahun 1885 dan mesin las tumpul tahanan listrik (resistance butt welding) pertama diperagakan di American Institute Fair pada tahun 1887. Pada tahun 1889, Coffin diberi hak paten untuk pengelasan tumpul nyala partikel (flash-butt welding) yang menjadi salah satu proses las tumpul yang penting. Zerner pada tahun 1885 memperkenalkan proses las busur nyala karbon (carbon arc welding) dengan menggunakan dua elektroda karbon.

Pada tahun 1888, N.G. Slavinoff di Rusia merupakan orang pertama yang menggunakan proses busur nyala logam dengan memakai elektroda telanjang (tanpa lapisan). Coffin yang bekerja secara terpisah juga menyelidiki proses busur nyala logam dan mendapat hak Paten Amerika dalam 1892. Pada tahun 1889, A.P. Strohmeyer memperkenalkan konsep elektroda logam yang dilapis untuk menghilangkan banyak masalah yang timbul pada pemakaian elektroda telanjang.

Thomas Fletcher pada tahun 1887 memakai pipa tiup hidrogen dan oksigen yang terbakar, serta menunjukkan bahwa ia dapat memotong atau mencairkan logam. Pada tahun 1901-1903 Fouche dan Picard mengembangkan tangkai las yang dapat digunakan dengan asetilen (gas karbit), sehingga sejak itu dimulailah zaman pengelasan dan pemotongan oksiasetilen (gas karbit oksigen).

Setelah 1919, pemakaian las sebagai teknik konstruksi dan fabrikasi mulai berkembang dengan pertama menggunakan elektroda paduan (alloy) tembaga-wolfram untuk pengelasan titik pada tahun 1920. Pada periode 1930-1950 terjadi banyak peningkatan dalam perkembangan mesin las. Proses pengelasan busur nyala terbenam (submerged) yang busur nyalanya tertutup di bawah bubuk fluks pertama dipakai secara komersial pada tahun 1934 dan dipatenkan pada tahun 1935. Sekarang terdapat lebih dari 50 macarn proses pengelasan yang dapat digunakan untuk menyambung pelbagai logarn dan paduan.

a) Proses dasar

Menurut Welding Handbook, proses pengelasan adalah “proses penyambungan bahan yang menghasilkan peleburan bahan dengan memanasinya hingga suhu yang tepat dengan atau tanpa pemberian tekanan dan dengan atau tanpa pemakaian bahan pengisi.” ; Energi pembangkit panas dapat dibedakan menurut sumbernya: listrik, kimiawi, optis, mekanis, dan bahan semikonduktor. Panas digunakan untuk mencairkan logam dasar dan bahan pengisi agar terjadi aliran bahan (atau terjadi peleburan). Selain itu, panas dipakai untuk menaikkan daktilitas (ductility) sehingga aliran plastis dapat terjadi walaupun jika bahan tidak mencair; lebih jauh lagi, pemanasan membantu penghilangan kotoran pada bahan.

Proses pengelasan yang paling umum, terutama untuk mengelas baja struktural yang memakai energi listrik sebagai sumber panas; dan paling banyak digunakan adalah busur listrik (nyala). Busur nyala adalah pancaran arus listrik yang relatif besar antara elektroda dan bahan dasar

yang dialirkan melalui kolom gas ion hasil pemanasan. Kolom gas ini disebut plasma. Pada pengelasan busur nyala, peleburan terjadi akibat aliran bahan yang melintasi busur dengan tanpa diberi tekanan. Proses lain (yang jarang dipakai untuk struktur baja) menggunakan sumber energi yang lain, dan beberapa proses ini menggunakan tekanan tanpa memandang ada atau tidak adanya pencairan bahan. Pelekatan (bonding) dapat juga terjadi akibat difusi. Dalam proses difusi, partikel seperti atom di sekitar pertemuan saling bercampur dan bahan dasar tidak mencair.

b) Pengelasan Busur Nyala Logam Terlindung (SMAW)

Pengelasan busur nyala logam terlindung (Shielded metal arc welding) merupakan salah satu jenis yang paling sederhana dan paling canggih untuk pengelasan baja struktural. Proses SMAW sering disebut proses elektroda tongkat manual. Pemanasan dilakukan dengan busur listrik (nyala) antara elektroda yang dilapis dan bahan yang akan disambung. Rangkaian pengelasan diperlihatkan pada Gambar 6.13. Elektroda yang dilapis akan habis karena logam pada elektroda dipindahkan ke bahan dasar selama proses pengelasan. Kawat elektroda (kawat las) menjadi bahan pengisi dan lapisannya sebagian dikonversi menjadi gas pelindung, sebagian menjadi terak (slag), dan sebagian lagi diserap oleh logam las. Bahan pelapis elektroda adalah campuran seperti lempung yang terdiri dari pengikat silikat dan bahan bubuk, seperti senyawa flour, karbonat, oksida, paduan logam, dan selulosa. Campuran ini ditekan dari acuan dan dipanasi hingga diperoleh lapisan konsentris kering yang keras.

Pemindahan logam dari elektroda ke bahan yang dilas terjadi karena penarikan molekul dan tarikan permukaan tanpa pemberian tekanan. Perlindungan busur nyala mencegah kontaminasi atmosfir pada cairan logam dalam arus busur dan kolam busur, sehingga tidak terjadi penarikan nitrogen dan oksigen serta pembentukan nitrit dan oksida yang dapat mengakibatkan kegetasan.

Lapisan elektroda berfungsi sebagai berikut:

? Menghasilkan gas pelindung untuk mencegah masuknya udara dan membuat busur stabil.

? Memberikan bahan lain, seperti unsur pengurai oksida, untuk memperhalus struktur butiran pada logam las.

? Menghasilkan lapisan terak di atas kolam yang mencair dan memadatkan las untuk melindunginya dari oksigen dan nitrogen dalam udara, serta juga memperlambat pendinginan.

c) Pengelasan Busur Nyala Terbenam (SAW)

Pada proses SAW (Submerged Arc Welding), busurnya tidak terlihat karena tertutup oleh lapisan bahan granular (berbentuk butiran) yang dapat melebur (lihat Gambar 6.14). Elektroda logam telanjang akan habis karena ditimbun sebagai bahan pengisi. Ujung elektroda terus terlindung oleh cairan fluks yang berada di bawah lapisan fluks granular yang tak terlebur. Fluks, yang merupakan ciri khas dari metode ini, memberikan penutup sehingga pengelasan tidak menimbulkan kotoran, percikan api, atau asap. Fluks granular biasanya terletak secara otomatis sepanjang kampuh (seam) di muka lintasan gerak elektroda. Fluks melindungi kolam las dari atmosfir, berlaku sebagai pembersih logam las, dan mengubah komposisi kimia dari logam las.

Las yang dibuat dengan proses busur nyala terbenam memiliki mutu yang tinggi dan merata, daktilitas yang baik, kekuatan kejut (impact) yang tinggi, kerapatan yang tinggi dan tahan karat yang baik. Sifat mekanis las ini sama baiknya seperti bahan dasar.

d) Pengelasan Busur Nyala Logam Gas (GMAW)

Pada proses GMAW (Gas Metal Arc Welding), elektrodanya adalah kawat menerus dari 1 gulungan yang disalurkan metalui pemegang elektroda (alat yang berbentuk pistol seperti pada Gambar 6.15). Perlindungan dihasilkan seluruhnya dari gas atau campuran gas yang diberikan dari luar. Mula-mula metode ini dipakai hanya dengan perlindungan gas mulia (tidak reaktif) sehingga disebut MIG (Metal Inert Gas/gas logam mulia). Gas yang reaktif biasanya tidak praktis, kecuali C02 (karbon dioksida). Gas C02, baik C02 saja atau dalam campuran dengan gas mulia, banyak digunakan dalam pengelasan baja.

Argon sebenarnya dapat digunakan sebagai gas pelindung untuk pengelasan semua logam, namun, gas ini tidak dianjurkan untuk baja karena mahal serta kenyataan bahwa gas pelindung dan campuran gas lain dapat digunakan. Untuk pengelasan baja karbon dan beberapa baja paduan rendah baik (1) 75% argon dan 25% CO, ataupun (2) 100% ‘C02 lebib dianjurkan [101 . Untuk baja paduan rendah yang keliatannya (toughness) penting, Pustaka [ 10] menyarankan pemakaian campuran dari 60-70% helium, 25-30% argon, dan 4-5% C02

Selain melindungi logam yang meleleh dari atmosfir, gas pelindung mempunyai fungsi sebagai berikut.

? Mengontrol karakteristik busur nyala dan pernindahan logam.

? Mempengaruhi penetrasi, lebar peleburan, dan bentuk daerah las.

? Mempengaruhi kecepatan pengelasan.

? Mengontrol peleburan berlebihan (undercutting).

Pencampuran gas mulia dan gas reaktif membuat busur nyala lebih stabil dan kotoran selama pernindahan logam lebih sedikit. Pemakaian C02 saja untuk pengelasan baja merupakan prosedur termurah karena rendahnya biaya untuk gas pelindung, tingginya kecepatan pengelasan, lebih baiknya penetrasi sambungan, dan baiknya sifat mekanis timbunan las. Satu-satunya kerugian ialah pernakaian C02 menimbulkan kekasaran dan kotoran yang banyak.

e) Pengelasan Busur Nyala Berinti Fluks (FCAW)

Proses FCAW (Flux Cored Arc Welding) sama seperti GMAW tetapi elektroda logam pengisi yang menerus berbentuk tubular (seperti pipa) dan mengandung bahan fluks dalam intinya. Bahan inti ini sama fungsinya seperti lapisan pada SMAW atau fluks granular pada SAW. Untuk kawat yang diberikan secara menerus, lapisan luar tidak akan tetap lekat pada kawat. Gas pelindung dihasilkan oleh inti fluks tetapi biasanya diberi gas pelindung tambahan dengan gas C02.

f) Pengelasan-Terak Listrik (ESW)

Proses ESW (Electroslag Welding) merupakan proses mesin yang digunakan terutama untuk pengelasan dalam posisi vertikal. Ini biasanya dipakai untuk memperoleh las lintasan tunggal (satu kali jalan) seperti untuk  sambungan pada penampang kolom yang besar. Logam las ditimbun ke dalam alur yang dibentuk oleh tepi plat yang terpisah dan ”sepatu” (alas) yang didinginkan dengan air. Terak cair yang konduktif melindungi las serta mencairkan bahan pengisi dan tepi plat. Karena terak padat tidak konduktif, busur nyala diperlukan untuk mengawali proses dengan mencairkan terak dan memanaskan plat. Busur nyala dapat dihentikan setelah proses berjalan dengan baik. Selanjutnya, pengelasan dilakukan oleh panas yang ditimbulkan melalui tahanan terak terhadap aliran arus listrik. Karena pemanasan akibat tahanan digunakan untuk seluruh proses kecuali sumber panas mula-mula, proses SAW sebenarnya bukan merupakan proses pengelasan busur nyala.

g) Pengelasan Stud

Proses yang paling umum digunakan dalam pengelasan stud (baut tanpa ulir) ke bahan dasar disebut pengelasan stud busur nyala (arc stud welding). Proses ini bersifat otomatis tetapi karakteristiknya sama seperti proses SMAW. Stud berlaku sebagai elektroda, dan busur listrik timbul dari ujung stud ke plat. Stud dipegang oleh penembak yang mengontrol waktu selama proses. Perlindungan dilakukan dengan meletakkan cincin keramik di sekeliling ujung stud pada penembak. Penembak diletakkan dalam posisinva dan busur ditimbulkan pada saat cincin keramik berisi logam cair. Setelah beberapa saat, penembak mendorong stud ke kolam yang mencair dan akhirnya terbentuk las sudut (fillet weld) keeil di sekeliling stud. Penetrasi sempurna di seluruh penampang lintang stud diperoleh dan pengelasan biasanya selesai dalam waktu kurang dari satu detik.

6.3.5. Kemampuan dilas dari baja struktural

Kebanyakan baja konstruksi dalam spesifikasi ASTM dapat dilas tanpa prosedur khusus atau perlakuan khusus. Kemampuan dapat dilas (weldability) dari baja adalah ukuran kemudahan menghasilkan sambungan struktural yang teguh tanpa retak. Beberapa baja struktural lebih sesuai dilas dari pada yang lain. Prosedur pengelasan sebaiknya didasarkan pada  kimiawi baja bukan pada kandungan paduan maksimum yang ditetapkan, karena kebanyakan hasil pabrik berada di bawah batas paduan maksimum yang ditentukan oleh spesifikasinya.

6.3.6. Jenis sambungan las

Jenis sambungan tergantung pada faktor-faktor seperti ukuran dan profil batang yang bertemu di sambungan, jenis pembebanan, besarnya luas sambungan yang tersedia untuk pengelasan, dan biaya relatif dari berbagai jenis las. Sambungan las terdiri dari lima jenis dasar dengan berbagai macam variasi dan kombinasi yang banyak jumlahnya. Kelima jenis dasar ini adalah sambungan sebidang (butt), lewatan (lap), tegak (T), sudut, dan sisi, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 6.16.

???? Sambungan Sebidang

Sambungan sebidang dipakai terutama untuk menyambung ujungujung plat datar dengan ketebalan yang sama atau hampir sarna. Keuntungan utama jenis sambungan ini ialah menghilangkan eksentrisitas yang timbul pada sambungan lewatan tunggal seperti dalam Gambar 6.16(b). Bila digunakan bersama dengan las tumpul penetrasi sempurna (full penetration groove weld), sambungan sebidang menghasilkan ukuran sambungan minimum dan biasanya lebih estetis dari pada sambungan bersusun. Kerugian utamanya ialah ujung yang akan disambung biasanya harus disiapkan secara khusus (diratakan atau dimiringkan) dan dipertemukan secara hati-hati sebelum dilas. Hanya sedikit penyesuaian dapat dilakukan, dan potongan yang akan disambung harus diperinci dan dibuat secara teliti. Akibatnya, kebanyakan sambungan sebidang dibuat di bengkel yang dapat mengontrol proses pengelasan dengan akurat.

???? Sambungan Lewatan

Sambungan lewatan pada Gambar 6.17 merupakan jenis yang paling umum. Sambungan ini mempunyai dua keuntungan utama:

? Mudah disesuaikan.

Potongan yang akan disambung tidak memerlukan ketepatan dalam pembuatannya bila dibanding dengan jenis sambungan lain. Potongan tersebut dapat digeser untuk mengakomodasi kesalahan kecil dalam pembuatan atau untuk penyesuaian panjang.

? Mudah disambung.

Tepi potongan yang akan disambung tidak memerlukan persiapan khusus dan biasanya dipotong dengan nyala (api) atau geseran. Sambungan lewatan menggunakan las sudut sehingga sesuai baik untuk pengelasan di bengkel maupun di lapangan. Potongan yang akan disambung dalam banyak hal hanya dijepit (diklem) tanpa menggunakan alat pemegang khusus. Kadang-kadang potonganpotongan diletakkan ke posisinya dengan beberapa baut pemasangan yang dapat ditinggalkan atau dibuka kembali setelah dilas.

? Keuntungan lain sambungan lewatan adalah mudah digunakan untuk menyambung plat yang tebalnya berlainan.

???? Sambungan Tegak

Jenis sambungan ini dipakai untuk membuat penampang bentukan (built-up) seperti profil T, profil 1, gelagar plat (plat girder), pengaku tumpuan atau penguat samping (bearing stiffener), penggantung, konsol (bracket). Umumnya potongan yang disambung membentuk sudut tegak

lurus seperti pada Gambar 6.16(c). Jenis sambungan ini terutama bermanfaat dalam pembuatan penampang yang dibentuk dari plat datar yang disambung dengan las sudut maupun las tumpul.

???? Sambungan Sudut

Sambungan sudut dipakai terutama untuk membuat penampang berbentuk boks segi empat seperti yang digunakan untuk kolom dan balok yang memikul momen puntir yang besar.

???? Sambungan Sisi

Sambungan sisi umumnya tidak struktural tetapi paling sering dipakai untuk menjaga agar dua atau lebih plat tetap pada bidang tertentu atau untuk mempertahankan kesejajaran (alignment) awal. Seperti yang dapat disimpulkan dari pembahasan di muka, variasi  dan kombinasi kelima jenis sambungan las dasar sebenarriya sangat banyak. Karena biasanya terdapat lebih dari satu cara untuk menyambung sebuah batang struktural dengan lainnya, perencana harus dapat memilih sambungan (atau kombinasi sambungan) terbaik dalam setiap persoalan.

6.3.7. Jenis las

Jenis las yang umum adalah las tumpul, sudut, baji (slot), dan pasak (plug) seperti yang diperlihatkan pada Gambar 6.18. Setiap jenis las memiliki keuntungan tersendiri yang menentukan jangkauan penia-kaiannya. Secara kasar, persentase pemakaian keempat jenis tersebut untuk konstruksi las adalah sebagai berikut: las tumpul, 15%; las sudut, 80%; dan sisanya 5% terdiri dari las baji, las pasak dan las khusus lainnya.

???? Las Tumpul

Las tumpul (groove weld) terutama dipakai untuk menyambung batang struktural yang bertemu dalam satu bidang. Karena las tumpul biasanya ditujukan untuk menyalurkan semua beban batang yang disambungnya, las ini harus memiliki kekuatan yang sama seperti potongan yang disambungnya. Las tumpul seperti ini disebut las tumpul penetrasi sempurna. Bila sambungan direncanakan sedemikian rupa hingga las tumpul tidak diberikan sepanjang ketebalan potongan yang disambung, maka las ini disebut las tumpul penetrasi parsial.

Banyak variasi las tumpul dapat dibuat dan masing-masing dibedakan menurut bentuknya. Las tumpul umumnya memerlukan penyiapan tepi tertentu dan disebut menurut jenis penyiapan yang dilakukan. Gambar 6.19 memperlihatkan jenis las tumpul yang umum dan menunjukan penyiapan alur yang diperlukan. Pemilihan las tumpul yang sesuai tergantung pada proses pengelasan yang digunakan, biaya penyiapan tepi, dan biaya pembuatan las. Las tumpul juga dapat dipakai pada sambungan tegak.

???? Las Sudut

Las sudut bersifat ekonomis secara keseluruhan, mudah dibuat, dan mampu beradaptasi, serta merupakan jenis las yang paling banyak dipakai dibandingkan jenis las dasar yang lain. Beberapa pemakaian las sudut diperlihatkan pada Gambar 6.20. Las ini umumnya memerlukan lebih sedikit presisi dalam pemasangan karena potongannya saling bertumpang (overlap), sedang las tumpul memerlukan kesejajaran yang tepat dan alur tertentu antara potongan. Las sudut terutama menguntungkan untuk pengelasan di lapangan, dan untuk menyesuaikan kembali batang atau sambungan yang difabrikasi dengan toleransi tertentu tetapi tidak cocok dengan yang dikehendaki. Selain itu, tepi potongan yang disambung jarang memerlukan penyiapan khusus, seperti pemiringan (beveling). atau penegakan, karena kondisi tepi dari proses pemotongan nyala (flame cutting) atau pemotongan geser umumnya memadai.

???? Las Baji dan Pasak

Las baji dan pasak dapat dipakai secara tersendiri pada sambungan seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 6.21(c) dan (d), atau dipakai bersama-sama dengan las sudut seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 9.34. Manfaat utama las baji dan pasak ialah menyalurkan gaya geser pada sambungan lewatan bila ukuran sambungan membatasi panjang yang tersedia untuk  as sudut atau las sisi lainnya. Las baji dan pasak juga berguna untuk mencegah terjadinya tekuk pada bagian yang saling bertumpang.

6.3.8. Faktor yang mempengaruhi mutu sambungan las

Untuk memperoleh sambungan las yang memuaskan, gabungan dari banyak keahlian individu diperlukan, mulai dari perencanaan las sampai operasi pengelasan. Faktor-faktof yang mempengaruhi kualitas sambungan las

???? Elektroda yang sesuai, alat las, dan prosedur

Ukuran elektroda dipilih berdasarkan ukuran las yang akan dibuat dan arus listrik yang dihasilkan oleh alat las. Karena umumnya mesin las mempunyai pengatur untuk memperkecil arus listrik, elektroda yang lebih kecil dari kemampuan maksimum mudah diakomodasi dan  sebaiknya digunakan. Oleh karena penimbunan logam las pada pengelasan busur nyala terjadi akibat medan elektromagnetis dan bukan akibat gravitasi, pengelasan tidak harus dilakukan pada posisi tidur atau horisontal. Empat posisi pengelasan utama diperlihatkan pada Gambar

6.22. Sebaiknya dihindari (bila mungkin) posisi menghadap ke atas karena merupakan posisi yang paling sulit. Sambungan yang dilas di bengkel biasanya diletakkan pada posisi tidur atau horisontal, tetapi las lapangan dapat sembarang posisi pengelasan yang tergantung pada orientasi sambungan. Posisi pengelasan untuk las lapangan sebaiknya diperhatikan dengan teliti oleh perencana.

???? Persiapan tepi yang sesuai

Persiapan tepi yang umum, untuk las tumpul diperlihatkan pada Gambar 6.23. Lebar celah (root opening) R adalah jarak pisah antara potongan yang akan disambung dan dibuat agar elektroda dapat menembus dasar sarnbungan. Semakin kecil lebar celah, semakin besarlah sudut lereng yang harus dibuat. Tepi runcing pada Gambar 6.23(a) akan mengalami pembakaran menerus (burn-through) jika tidak diberikan plat pelindung (backup plate) seperti pada Gambar 6.23(b).

Plat pelindung umumnya digunakan bila pengelasan, dilakukan hanya dari satu sisi. Masalah pembakaran menerus dapat dibatasi jika lerengnya diberi bagian tegak seperti pada Gambar 6.23(c). Pembuat las sebaiknya tidak memberikan plat pelindung bila sudah ada bagian tegak, karena kemungkinan besar kantung gas akan terbentuk sehingga merintangi las penetrasi sempurna. Kadang-kadang pemisah seperti yang diperlihatkan pada Gambar 6.23(d) diberikan untuk mencegah pembakaran menerus, tetapi pemisah ini dicabut kembali sebelum sisi kedua dilas.

???? Pengontrolan

Faktor lain yang mempengaruhi kualitas las adalah penyusutan. Jika las titik diberikan secara menerus pada suatu plat, maka plat akan mengalami distorsi (perubahan geometri). Distorsi ini akan terjadi jika tidak berhati-hati baik dalam perencanaan sambungan maupun prosedur pengelasan. Berikut ini adalah ringkasan cara untuk memperkecil distorsi

? Perkecil gaya susut dengan:

o Menggunakan logam las minimum; untuk las tumpul, lebar celah jangan lebih besar dari yang diperlukan, jangan mengelas berlebihan

o Sedapat mungkin mempersedikit jumlah lintasan

o Melakukan persiapan tepi dan penyesuaian yang tepat

o Menggunakan las terputus-putus, minimal untuk sambungan prakonstruksi

o Menggunakan langkah mundur (backstepping), yaitu menimbun las pada las sebelumnya yang telah selesai, atau menimbun dalam arah berlawanan dengan arah pengelasan sambungan.

? Biarkan penyusutan terjadi dengan:

o Mengungkit plat sehingga setelah penyusutan terjadi plat akan berada pada posisi yang tepat.

o Menggunakan potongan yang diberi lenturan awal.

? Seimbangkan gaya susut dengan:

o Melakukan pengelasan simetris; las sudut pada setiap sisi potongan menghasilkan pengaruh yang saling menghilangkan

o Menggunakan segmen las tersebar

o Pemukulan, yaitu meregangkan logam dengan sejumlah pukulan

o Menggunakan klem, alat pemegang dan lain-lain; alat ini membuat logam las meregang ketika mendingin.

6.3.9. Cacat yang mungkin terjadi pada las

Teknik dan prosedur pengelasan yang tidak baik menimbulkan cacat pada las yang menyebabkan diskontinuitas dalam las. Cacat yang umumnya dijumpai ialah (Gambar 6.24.):

? Peleburan Tak Sempurna

Peleburan tak sempurna terjadi karena logam dasar dan logam las yang berdekatan tidak melebur bersama secara menyeluruh. Ini dapat terjadi jika permukaan yang akan disambung tidak dibersihkan dengan baik dan dilapisi kotoran, terak, oksida, atau bahan lainnya. Penyebab lain dari cacat ini ialah pemakaian peralatan las yang arus listriknya tidak memadai, sehingga logam dasar tidak mencapai titik lebur. Laju pengelasan yang terlalu cepat juga dapat menimbulkan pengaruh yang sama.

? Penetrasi Kampuh yang Tak Memadai

Penetrasi kampuh yang tak memadai ialah keadaan di mana kedalaman las kurang dari tinggi alur yang ditetapkan. Keadaan ini diperlihatkan pada sambungan dalam Gambar 9.37 yang seharusnya merupakan penetrasi sempurna. Penetrasi kampuh parsial hanya dapat diterima bila memang ditetapkan demikian.

Cacat ini, yang terutama berkaitan dengan las tumpul, terjadi akibat perencanaan alur yang tak sesuai dengan proses pengelasan yang dipilih, elektroda yang terlalu besar, arus listrik yang tak memadai, atau laju pengelasan yang terlalu cepat.

? Porositas

Porositas terjadi bila rongga-rongga atau kantung-kantung gas yang kecil terperangkap selama proses pendinginan. Cacat ini ditimbulkan oleh arus listrik yang terlalu tinggi atau busur nyala yang terlalu panjang. Porositas dapat terjadi secara merata tersebar dalam las, atau dapat merupakan rongga yang besar terpusat di dasar las sudut atau dasar dekat plat pelindung pada las tumpul. Yang terakhir diakibatkan oleh prosedur pengelasan yang buruk dan pemakaian plat pelindung yang ceroboh.

? Peleburan Berlebihan

Peleburan berlebihan (uncercutting) ialah terjadinya alur pada bahan dasar di dekat ujung kaki las yang tidak terisi oleh logam las. Arus listrik dan panjang busur nyala yang berlebihan dapat membakar atau menimbulkan alur pada logam dasar. Cacat ini mudah terlihat dan dapat diperbaiki dengan memberi las tambahan.

? Kemasukan Terak

Terak terbentuk selama proses pengelasan akibat reaksi kimia lapisan elektroda yang mencair, serta terdiri dari oksida logam dan senyawa lain. Karena kerapatan terak kecil dari logam las yang mencair, terak biasanya berada pada permukaan dan dapat dihilangkan dengan mudah setelah dingin. Namun, pendinginan sambungan yang terlalu cepat dapat menjerat terak sebelum naik ke permukaan. Las menghadap ke atas seperti yang diperlihatkan pada Gambar 6.22(d) sering mengalami kemasukan terak dan harus diperiksa dengan teliti. Bila beberapa  lintasan las dibutuhkan untuk memperoleh ukuran las yang dikehendaki, pembuat las harus membersihkan terak yang ada sebelum memulai pengelasan yang baru. Kelalaian terhadap hal ini merupakan penyebab utama masuknya terak.

? Retak

Retak adalah pecah-pecah pada logam las, baik searah ataupun transversal terhadap garis las, yang ditimbulkan oleh tegangan internal. Retak pada logam las dapat mencapai logam dasar, atau retak terjadi seluruhnya pada logam dasar di sekitar las. Retak  mungkin merupakan cacat las yang paling berbahaya, namun, retak halus yang disebut retak mikro (mikrofissures) umumnya tidak mempunyai pengaruh yang berbahaya. Retak kadang-kadang terbentuk ketika las mulai memadat dan umumnya diakibatkan oleh unsur-unsur yang getas (baik besi ataupun elemen paduan) yang terbentuk sepanjang serat perbatasan. Pemanasan yang lebih merata dan pendinginan yang lebih lambat akan mencegah pembentukan retak “panas”. Retak pada bahan dasar yang sejajar las juga dapat terbentuk pada suhu kamar. Retak ini terjadi pada baja paduan rendah akibat pengaruh gabungan dari hidrogen, mikrostruktur martensit yang getas, serta pengekangan terhadap susut dan distorsi. Pemakaian elektroda rendah-hidrogen bersama dengan pemanasan awal dan akhir yang sesuai akan memperkecil retak “dingin” ini.

Sumber :

Ariestadi, Dian, 2008, Teknik Struktur Bangunan Jilid 2 untuk SMK, Jakarta : Pusat Perbukuan Departemen Pendidikan Nasional, h. 274 – 301.

Sistem Struktur pada Bangunan Gedung Bertingkat

2.2.1. Pengantar Aplikasi Sistem Struktur pada Bangunan

Sistem struktur pada bangunan gedung secara garis besar menggunakan beberapa sistem utama

a) Struktur Rangka atau Skeleton

Struktur kerangka atau skeleton terdiri atas komposisi dari kolomkolom dan balok-balok. Kolom sebagai unsur vertikal berfungsi sebagai penyalur beban dan gaya menuju tanah, sedangkan balok adalah unsur horisontal yang berfungsi sebagai pemegang dan media pembagian beban dan gaya ke kolom. Kedua unsur ini harus tahan terhadap tekuk dan lentur.

Selanjutnya dilengkapi dengan sistem lantai, dinding, dan komponen lain untuk melengkapi kebutuhan bangunan untuk pembentuk ruang. Sistem  dan komponen tersebut diletakkan dan ditempelkan pada kedua elemen rangka bangunan. Dapat dikatakan bahwa elemen yang menempel pada rangka bukanlah elemen struktural (elemen non-struktural). Bahan yang umumnya dipakai pada sistem struktur rangka adalah  kayu, baja, beton (Gambar 4.19) termasuk beton pra-cetak . Semua bahan tersebut harus tahan terhadap gaya-gaya tarik, tekan, puntir dan lentur. Saat ini bahan yang paling banyak digunakan adalah baja dan beton bertulang

karena mampu menahan gaya-gaya tersebut dalam skala yang besar. Untuk bahan pengisi non-strukturalnya dapat digunakan bahan yang ringan dan tidak mempunyai daya dukung yang besar, seperti susunan bata, dinding kayu, kaca dan lainnya.

Sistem rangka yang dibentuk dengan elemen vertikal dan horisontal baik garis atau bidang, akan membentuk pola satuan ukuran yang disebut grid (Gambar4.20). Grid berarti kisi-kisi yang bersilangan tegak lurus satu dengan lainnya membentuk pola yang teratur. Berdasarkan pola yang dibentuk serta arah penyaluran pembebanan atau gayanya, maka sistem rangka umumnya terdiri atas dua macam yaitu: sistem rangka dengan bentang satu arah (one way spanning) dan bentang dua arah (two way spanning). Bentuk grid persegi panjang menggunakan sistem bentang satu arah, dengan penyaluran gaya ke arah bentang yang pendek. Sedangkan untuk pola grid yang cenderung bujursangkar maka penyaluran gaya terjadi ke arah kedua sisinya, maka sistem struktur yang digunakan adalah sistem bentang dua arah. Aksi struktur dua arah dapat diperoleh jika perbandingan dimensi bentang panjang dengan bentang pendek lebih kecil dari 1,5.

Sistem struktur rangka banyak berkembang untuk aplikasi pada bangunan tinggi (multi-storey structure) dan bangunan dengan bentang lebar (long-span structure)

b) Struktur Rangka Ruang

Sistem rangka ruang dikembangkan dari sistem struktur rangka batang  dengan penambahan rangka batang kearah tiga dimensinya (gambar 4.21). Struktur rangka ruang adalah komposisi dari batang-batang yang masing-masing berdiri sendiri, memikul gaya tekan atau gaya tarik yang sentris dan dikaitkan satu sama lain dengan sistem tiga dimensi atau ruang. Bentuk rangka ruang dikembangkan dari pola grid dua lapis (doubel-layer grids), dengan batang-batang yang menghubungkan titik-titik grid secara tiga dimensional.

Elemen dasar pembentuk struktur rangka ini adalah:

? Rangka batang bidang

? Piramid dengan dasar segiempat membentuk oktahedron

? Piramid dengan dasar segitiga membentuk tetrahedron (Gambar 4,22)

Beberapa sistem selanjutnya dikembangkan model rangka ruang berdasarkan pengembangan sistem konstruksi sambungannya (Gambar 4.23), antara lain:

? Sistem Mero

? Sistem space deek

? Sistem Triodetic

? Sistem Unistrut

? Sistem Oktaplatte

? Sistem Unibat

? Sistem Nodus

? Sistem NS Space Truss

c) Struktur Permukaan Bidang

Struktur permukaan bidang termasuk juga struktur form-active biasanya digunakan pada keadaan khusus dengan persyaratan struktur dengan tingkat efisiensi yang tinggi. Struktur-struktur permukaan bidang pada umumnya menggunakan material-material khusus yang dapat mempunyai kekuatan yang lebih tinggi dengan ketebalan yang minimum. Beberapa jenis struktur ini antara lain:

???? Struktur bidang lipat

Struktur bidang lipat dibentuk melalui lipatan-lipatan bidang datar dengan kekakuan dan kekuatan yang terletak pada keseluruhan bentuk itu sendiri. Bentuk lipatan akan mempunyai kekakuan yang lebih karena momen inersia yang lebih besar, karena bentuk lipatan akan memiliki ketinggian yang jauh lebih besar dibandingkan dengan plat datar.

???? Struktur cangkang

Struktur cangkang adalah sistem dengan pelat melengkung ke satu arah atau lebih yang tebalnya jauh lebih kecil daripada bentangnya. Gaya-gaya yang harus didukung dalam struktur cangkang disalurkan secara merata melalui permukaan bidang sebagai gaya-gaya membran yang diserap oleh elemen strukturnya. Gaya-gaya disalurkan sebagai gaya normal, dengan demikian tidak terdapat gaya lintang dan lentur. Resultan gaya yang tersebar diserap ke dalam struktur dengan gaya tangensial yang searah dengan kelengkungan bidang permukaannya.

???? Struktur membran

Struktur membran mempunyai prinsip yang sama dengan struktur cangkang, tetapi dengan bahan bidang permukaan yang sangat tipis. Kekakuan selaput tipis tersebut diperoleh dengan elemen tarik yang membentuk jala-jala yang saling membantu untuk menambah kapasitas menahan beban-beban lendutan.

d) Struktur Kabel dan Jaringan

Struktur kabel dan jaringan dikembangkan dari kemampuan kabel menahan gaya tarik yang tinggi. Dengan menggunakan sistem tarik maka tidak diperlukan sistem penopang vertikal untuk elemen horisontalnya (lantai atau atap), sehingga daerah di bawah elemen horisontal (ruang) memiliki bentangan yang cukup besar. Bangunan dengan aplikasi sistem struktur in I akan sangat mendukung untuk bangunan bentang luas berbentang lebar, seperti dome, stadion, dll (Gambar 4.24). Sistem yang dikembangkan pada struktur kabel antara lain :

? Struktur atap tarik dengan kolom penunjang

? Struktur kabel tunggal

? Struktur kabel ganda

2.2.2. Analisis Struktur Rangka Kaku

Struktur rangka kaku (rigid frame) adalah struktur yang terdiri atas elemen-elemen linier, umumnya balok dan kolom, yang saling dihubungkan  pada ujung-ujungnya oleh joints (titik hubung) yang dapat mencegah rotasi relatif di antara elemen struktur yang dihubungkannya. Dengan demikian, elemen struktur itu menerus pada titik hubung tersebut. Seperti halnya balok menerus, struktur rangka kaku adalah struktur statis tak tentu. Banyak struktur rangka kaku yang tampaknya sama dengan sistem post and beam, tetapi pada kenyataannya struktur rangka ini mempunyai perilaku yang sangat berbeda dengan struktur post and beam. Hal ini karena adanya titik-titik hubung pada rangka kaku. Titik hubung dapat cukup kaku sehingga memungkinkan kemampuan untuk memikul beban lateral pada  rangka, dimana beban demikian tidak dapat bekerja pada struktur rangka yang memperoleh kestabilan dari hubungan kaku antara kaki dengan papan horisontalnya.

a) Prinsip Rangka Kaku

Cara yang paling tepat untuk memahami perilaku struktur rangka sederhana adalah dengan membandingkan perilakunya terhadap beban dengan struktur post and beam. Perilaku kedua macam struktur ini berbeda dalam hal titik hubung, dimana titik hubung ini bersifat kaku pada rangka dan tidak kaku pada struktur post and beam. Gambar 4.25 menunjukkan jenisjenis struktur rangka dan perbedaannya dengan struktur post and beam.

b) Beban Vertikal

Pada struktur post and beam, struktur akan memikul beban beban vertikal dan selanjutnya beban diteruskan ke tanah. Pada struktur jenis ini, balok terletak bebas di atas kolom. Sehingga pada saat beban menyebabkan momen pada balok, ujung-ujung balok berotasi di ujung atas kolom. Jadi, sudut yang dibentuk antara ujung balok dan ujung atas kolom berubah. Kolom tidak mempunyai kemampuan untuk menahan rotasi ujung balok. Ini berarti tidak ada momen yang dapat diteruskan ke kolom,sehingga kolom memikul gaya aksial. Apabila suatu struktur rangka kaku mengalami beban vertikal seperti di atas, beban tersebut juga dipikul oleh balok, diteruskan ke kolom dan akhirnya diterima oleh tanah. Beban itu menyebabkan balok cenderung berotasi. Tetapi pada struktur rangka kaku akan terjadi rotasi bebas pada ujung yang mencegah rotasi bebas balok. Hal ini dikarenakan ujung atas kolom dan balok berhubungan secara kaku. Hal penting yang terjadi adalah balok tersebut lebih bersifat mendekati balok berujung jepit, bukan terletak secara sederhana.

Seiring dengn hal tersebut, diperoleh beberapa keuntungan, yaitu bertambahnya kekakuan, berkurangnya defleksi, dan berkurangnya momen lentur internal. Akibat lain dari hubungan kaku tersebut adalah bahwa kolom menerima juga momen lentur serta gaya aksial akibat ujung kolom cenderung memberikan tahanan rotasionalnya. Ini berarti desain kolom menjadi relatif lebih rumit. Titik hubung kaku berfungsi sebagai satu kesatuan. Artinya, bila titik ujung itu berotasi, maka sudut relatif antara elemen-elemen yang dihubungkan tidak berubah. Misalnya, bila sudut antara balok dan kolom semula 900, setelah titik hubung berotasi, sudut akan tetap 900. Besar rotasi titik hubung tergantung pada kekakuan relatif antara balok dan kolom. Bila kolom semakin relatif kaku terhadap balok, maka kolom lebih mendekati sifat jepit terhadap ujung balok, sehingga rotasi titik hubung semakin kecil.

Bagaimanapun rotasi selalu terjadi walaupun besarannya relatif kecil. Jadi kondisi ujung balok pada struktur rangka kaku terletak di antara kondisi ujung jepit (tidak ada rotasi sama sekali) dan kondisi ujung sendi-sendi (bebas berotasi). Begitu pula halnya dengan ujung atas kolom. Perilaku yang dijelaskan di atas secara umum berarti bahwa balok pada sistem rangka kaku yang memikul beban vertikal dapat didesain lebih kecil daripada balok pada sistem post and beam. Sedangkan kolom pada struktur rangka kaku harus didesain lebih besar dibandingkan dengan kolom pada struktur post and beam, karena pada struktur rangka kaku ada kombinasi momen lentur dan gaya aksial. Sedangkan pada struktur post and beam hanya terjadi gaya aksial. Ukuran relatif kolom akan semakin dipengaruhi bila tekuk juga ditinjau. Hal ini dikarenakan kolom pada struktur rangka mempunyai tahanan ujung, sedangkan kolom pada post and beam tidak mempunyai tahanan ujung. Perbedaan lain antara struktur rangka kaku dan struktur post and beam sebagai respon terhadap beban vertikal adalah adanya reaksi horisontal pada struktur rangka kaku. Sementara pada struktur post and beam tidak ada.

Pondasi untuk rangka harus didesain untuk memikul gaya dorong horisontal yang ditimbulkan oleh beban vertikal. Pada struktur post and beam yang dibebani vertikal, tidak ada gaya dorong horisontal, jadi tidak ada reaksi horisontal. Dengan demikian, pondasi struktur post and beam relatif lebih sederhana dibandingkan pondasi untuk struktur rangka.

c) Beban Horisontal

Perilaku struktur post and beam dan struktur rangka terhadap beban horisontal sangat berbeda. Struktur post and beam dapat dikatakan hampir tidak mempunyai kemampuan sama sekali untuk memikul beban horisontal. Adanya sedikit kemampuan, pada umumnya hanyalah karena berat sendiri dari tiang / kolom (post), atau adanya kontribusi elemen lain, misalnya dinding penutup yang berfungsi sebagai bracing. Tetapi perlu diingat bahwa kemampuan memikul beban horisontal pada struktur post and beam ini sangat kecil. Sehingga struktur post and beam tidak dapat digunakan untuk memikul beban horisontal seperti beban gempa dan angin.  Sebaliknya, pada struktur rangka timbul lentur, gaya geser dan gaya aksial pada semua elemen, balok maupun kolom. Momen lentur yang diakibatkan oleh beban lateral (angin dan gempa) seringkali mencapai maksimum pada penampang dekat titik hubung. Dengan demikian, ukuran elemen struktur di bagian yang dekat dengan titik hubung pada umumnya dibuat besar atau diperkuat bila gaya lateralnya cukup besar.

Rangka kaku dapat diterapkan pada gedung besar maupun kecil. Secara umum, semakin tinggi gedung, maka akan semakin besar pula momen dan gaya-gaya pada setiap elemen struktur. Kolom terbawah pada gedung bertingkat banyak pada umumnya memikul gaya aksial dan momen lentur terbesar. Bila beban lateral itu sudah sangat besar, maka umumnya diperlukan kontribusi elemen struktur lainnya untuk memikul, misalnya dengan menggunakan pengekang (bracing) atau dinding geser (shear walls).

d) Kekakuan Relatif Balok dan Kolom

Pada setiap struktur statis tak tentu, termasuk juga rangka (frame), besar momen dan gaya internal tergantung pada karakteristik relatif antara elemen-elemen strukturnya. Kolom yang lebih kaku akan memikul beban horisontal lebih besar. Sehingga tidak dapat digunakan asumsi bahwa reaksi horisontal sama besar. Momen yang lebih besar akan timbul pada kolom yang memikul beban horisontal lebih besar (kolom yang lebih kaku). Perbedaan kekakuan relatif antara balok dan kolom juga mempengaruhi momen akibat beban vertikal. Semakin kaku kolom, maka momen yang timbul akan lebih besar daripada kolom yang relatif kurang kaku terhadap balok. Untuk struktur yang kolomnya relatif lebih kaku terhadap balok, momen negatif pada ujung balok yang bertemu dengan kolom kaku akan membesar sementara momen positifnya berkurang. Efek variasi kekakuan tersebut seperti pada Gambar 4.26.

e) Goyangan (Sideways)

Pada rangka yang memikul beban vertikal, ada fenomena yang disebut goyangan (sidesway). Bila suatu rangka tidak berbentuk simetris, atau tidak dibebani simetris, struktur akan mengalami goyangan (translasi horisontal) ke salah satu sisi.

f) Penurunan Tumpuan (Support Settlement)

Seperti halnya pada balok menerus, rangka kaku sangat peka terhadap turunnya tumpuan (Gambar 4.27). Berbagai jenis tumpuan (vertikal, horisontal, rotasional) dapat menimbulkan momen. Semakin besar differential settlement, akan semakin besar pula momen yang ditimbulkan. Bila gerakan tumpuan ini tidak diantisipasi sebelumnya, momen tersebut dapat menyebabkan keruntuhan pada rangka. Oleh karena itu perlu diperhatikan desain pondasi struktur rangka kaku untuk memperkecil kemungkinan terjadinya gerakan tumpuan.

g) Efek Kondisi Pembebanan Sebagian

Seperti yang terjadi pada balok menerus, momen maksimum yang terjadi pada struktur rangka bukan terjadi pada saat rangka itu dibebani penuh. Melainkan pada saat dibebani sebagian. Hal ini sangat menyulitkan proses analisisnya. Masalah utamanya adalah masalah prediksi kondisi beban yang bagaimanakah yang menghasilkan momen kritis.

h) Rangka Bertingkat Banyak

Beberapa metode yang dapat digunakan untuk melakukan analisis rangka bertingkat banyak yang mengalami beban lateral. Salah satunya  adalah Metode Kantilever (Gambar 4.28), yang mulai digunakan pada tahun 1908. Metode ini menggunakan banyak asumsi, yaitu antara lain :

???? ada titik belok di tengah bentang setiap balok

???? ada titik belok di tengah tinggi setiap kolom

???? besar gaya aksial yang terjadi di setiap kolom pada suatu tingkat sebanding dengan jarak horisontal kolom tersebut ke pusat berat semua kolom di tingkat tersebut.

Metode analisis lain yang lebih eksak adalah menggunakan perhitungan berbantuan komputer. Walaupun dianggap kurang eksak, metode kantilever sampai saat ini masih digunakan, terutama untuk memperlajari perilaku struktur bertingkat banyak.

i) Rangka Vierendeel

Struktur Vierendeel seperti pada Gambar 4.29, adalah struktur rangka kaku yang digunakan secara horisontal. Struktur ini tampak seperti rangka batang yang batang diagonalnya dihilangkan. Perlu diingat bahwa struktur ini adalah rangka, bukan rangka batang. Jadi titik hubungnya kaku. Struktur demikian digunakan pada gedung karena alasan fungsional, dimana tidak diperlukan elemen diagonal. Struktur Vierendeel ini pada umumnya lebih efisien daripada struktur rangka batang.

2.2.3. Desain Rangka Kaku

Struktur rangka adalah jenis struktur yang tidak efisien apabila digunakan untuk beban lateral yang sangat besar. Untuk memikul beban  yang demikian akan lebih efisien menambahkan dinding geser (shear wall) atau pengekang diagonal (diagonal bracing) pada struktur rangka. Apabila persyaratan fungsional gedung mengharuskan penggunaan rangka, maka dimensi dan geometri umum rangka yang akan didesain sebenarnya sudah dipastikan. Masalah desain yang utama adalah pada penentuan tiitik hubung, jenis material dan ukuran penampang struktur.

a) Pemilihan Jenis Rangka

Derajat kekakuan struktur rangka tergantung antara lain pada banyak dan lokasi titik-titik hubung sendi dan jepit (kaku). Titik hubung sendi dan jepit seringkali diperlukan untuk maksud-maksud tertentu, meminimumkan momen rencana dan memperbesar kekakuan adalah tujuan-tujuan desain umum dalam memilih jenis rangka. Tinjauan lain meliputi kondisi pondasi dan kemudahan pelaksanaan. Gambar 4.30 menunjukan beberapa jenis struktur rangka yang mempunyai bentuk berdasarkan pada momen lentur yang terjadi padanya.

Momen yang diakibatkan oleh turunnya tumpuan pada rangka yang mempunyai tumpuan sendi akan lebih kecil daripada yang terjadi pada rangka bertumpuan jepit. Selain itu, pondasi untuk rangka bertumpuan sendi tidak perlu mempunyai kemampuan memikul momen. Gaya dorong horisontal akibat beban vertikal juga biasanya lebih kecil pada rangka bertumpuan sendi dibandingkan dengan rangka yang bertumpuan jepit. Rangka bertumpuan jepit dapat lebih memberikan keuntungan meminimumkan momen dan mengurangi defleksi bila dibandingkan dengan rangka bertumpuan sendi. Dalam desain harus ditinjau berbagai macam  kemungkinan agar diperoleh hasil yang benar-benar diinginkan.

b) Momen Desain

Untuk menentukan momen desain, diperlukan momen gabungan akibat beban vertikal dan beban horisontal. Dalam bebrapa hal, momenmomen akibat beban vertikal dan lateral (horisontal) ini saling memperbesar. Sementara dalam kondisi lain dapat saling mengurangi. Momen kritis terjadi apabila momen-momen tersebut saling memperbesar. Perlu diingat bahwa

beban lateral umumnya dapat mempunyai arah yang berlawanan dengan yang tergambar. Karena itu, umumnya yang terjadi adalah momen yang saling memperbesar, jarang yang saling memperkecil. Apabila momen maksimum kritis, gaya aksial dan geser internal telah diperoleh, maka penentuan ukuran penampang elemen struktural dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu :

(1) Mengidentifikasi momen dan gaya internal, maksimum yang ada di

bagian elemen struktur tersebut, selanjutnya menentukan ukuran penampang di seluruh elemen tersebut berdasarkan gaya dan momen internal tadi, sampai ukuran penampang konstan pada seluruh panjang elemen struktur tersebut. Cara ini seringkali menghasilkan elemen struktur yang berukuran lebih (over-size) di seluruh bagian elemen, kecuali titik kritis. Oleh karena itu, cara ini dianggap kurang efisien dibanding cara kedua berikut ini.

(2) Menentukan bentuk penampang sebagai respon terhadap variasi gaya momen kritis. Biasanya cara ini digunakan dalam desain balok menerus.

c) Penentuan Bentuk Rangka

(1) Struktur Satu Bentang

Pendekatan dengan menggunakan respon terhadap beban vertikal sebagai rencana awal tidak mungkin dilakukan berdasarkan momen negatif dan positif maksimum yang mungkin terjadi di setiap penampang akibat kedua jenis pembebanan tersebut. Konfigurasi yang diperoleh tidak optimum untuk kondisi beban lateral maupun beban vertikal, namun dapat memenuhi kondisi simultan kedua jenis pembebanan tersebut. (Gambar 4.31)

(2) Rangka Bertingkat Banyak

Pada struktur rangka bertingkat banyak juga terjadi hal-hal yang sama dengan yang terjadi pada struktur rangka berbentang tunggal.

d) Desain Elemen dan Hubungan

Penentuan bentuk elemen struktur dapat pula dilakukan dengan menggunakan profil tersusun. Titik hubung yang memikul momen umumnya dilas/disambung dengan baut pada kedua flens untuk memperoleh kekakuan hubungan yang dikehendaki. Umumnya digunakan plat elemen pengaku di titik-titik hubung kaku agar dapat mencegah terjadinya tekuk pada elemen flens dan badan sebagai akibat dari adanya tegangan tekan yang besar akibat momen. Rangka beton bertulang umumnya menggunakan tulangan di semua muka sebagai akibat dari distribusi momen akibat berbagai pembebanan. Tulangan baja terbanyak umumnya terjadi di titik-titik hubung kaku. Pemberian pasca tarik dapat pula digunakan pada elemen struktur horisontal dan untuk menghubungkan elemen-elemen vertikal. Rangka kayu biasanya mempunyai masalah, yaitu kesulitan membuat titik hubung yang mampu memikul momen. Salah satu usaha yang dilakukan untuk mengatasinya adalah dengan memakai knee braces. Titik hubung perletakannya biasanya berupa sendi.

2.2.4. Analisis Struktur Plat dan Grid

Plat adalah struktur planar kaku yang secara khas terbuat dari meterial monolit yang tingginya relatif kecil dibandingkan dengan dimensidimensi lainya. Beban yang umum bekerja pada plat mempunyai sifat banyak arah dan tersebar. Plat dapat ditumpu di seluruh tepinya atau hanya pada titik-titik tertentu, misalnya oleh kolom-kolom, atau bahkan campuran antar tumpuan menerus dan tumpuan titik. Kondisi tumpuan bisa berbentuk sederhana atau jepit. Adanya kemungkinan variasi kondisi tumpuan menyebabkan plat dapat digunakan untuk berbagai keadaan. Rangka ruang (sebenarnya merupakan rangka batang) yang terdiri dari elemen-elemen pendek kaku berpola segitiga yang disusun secara tiga dimensi dan membentuk struktur permukaan bidang kaku yang besar dengan ketebalan relatif tipis adalah struktur yang analog dengan plat.

Struktur Grid juga merupakan suatu contoh analogi lain dari struktur plat. Struktur grid bidang secara khas terdiri dari elemen-elemen linier kaku panjang seperti balok atau rangka batang, dimana batang-batang tepi atas dan bawah terletak sejajar. Titik hubungnya bersifat kaku. Distribusi momen dan geser pada struktur seperti ini dapat merupakan distribusi yang terjadi pad plat monolit. Pada umumnya grid berbutir kasar lebih baik memikul beban terpusat. Sedangkan plat dan rangka ruang dengan banyak elemen struktur kecil cenderung lebih cocok untuk memikul beban terdistribusi merata. Beberapa skema bentuk struktur plat, rangka ruang dan grid seperti pada Gambar 4.32.

a) Struktur Plat

(1) Struktur Plat Satu Arah

Beberapa hal perlu menjadi perhatian dalam pembahasan struktur plat satu arah, yaitu :

???? Beban Merata

struktur plat berperilaku hampir sama dengan struktur grid. perbedaannya adalah bahwa pada struktur plat, berbagi aksi terjadi secara kontinu melalui bidang slab, bukan hanya pada titik-titik tumpuan. Plat tersebut dapat dibayangkan sebagai sederetan jalur balok yang berdekatan dengan lebar satu satuan dan terhubung satu sama lain di seluruh bagian panjangnya. Gambar 4.33 mengilustrasikan struktur plat satu arah.

???? Beban Terpusat

Plat yang memikul beban terpusat berperilaku lebih rumit. Plat tersebut dapat dibayangkan sebagai sederetan jalur balok yang berdekatan dengan lebar satu satuan dan terhubung satu sama lain di seluruh bagian panjangnya. Karena adanya beban yang diterima oleh jalur balok, maka balok cenderung berdefleksi ke bawah. Kecenderungan itu dikurangi dengan adanya hubungan antara jalurjalur tersebut. Torsi juga terjadi pada jalur tersebut. Pada jalur yang semakin jauh dari jalur dimana beban terpusat bekerja, torsi dan geser yang terjadi akan semakin berkurang di jalur yang mendekati tepi plat. Hal ini berarti momen internal juga berkurang. Jumlah total reaksi harus sama dengan beban total yang bekerja pada seluruh arah vertikal. Jumlah momen tahanan internal yang terdistribusi di seluruh sisi plat juga harus sama dengan momen eksternal total. Hal ini didasarkan atas tinjauan keseimbangan dasar.

???? Plat Berusuk

Plat berusuk adalah sistem gabungan balok-slab. Apabila slab mempunyai kekakuan yang relatif kaku, maka keseluruhan susunan ini akan berperilaku sebagai slab satu arah (Gambar 4.34), bukan balok-balok sejajar. Slab transveral dianggap sebagai plat satu arah menerus di atas balok. Momen negatif akan terjadipada slab di atas balok.

(2) Struktur Plat Dua Arah

Bahasan atas struktur plat dua arah akan dijelaskan berdasarkan kondisi tumpuan yang ada (gambar 4.35), yaitu sebagai berikut :

???? Plat sederhana di atas kolom

???? Plat yang ditumpu sederhana di tepi-tepi menerus

???? Plat dengan tumpuan tepi jepit menerus

???? Plat di atas balok yang ditumpu kolom

b) Struktur Grid

Pada struktur grid, selama baloknya benar-benar identik, beban akan sama di sepanjang sisi kedua balok. Setiap balok akan memikul setengah dari beban total dan meneruskan ke tumpuan. Apabila balok-balok tersebut tidak identik maka bagian terbesar dari beban akan dipikul oleh balok yang lebih kaku. Apabila balok mempunyai panjang yang tidak sama, maka balok yang lebih pendek akan menerima bagian beban yang lebih besar dibandingkan dengan beban yang diterima oleh balok yang lebih panjang. Hal ini karena balok yang lebih pendek akan lebih kaku. Kedua balok tersebut akan mengalami defleksi yang sama di titik pertemuannya karena keduanya

dihubungkan pada titik tersebut. Agar defleksi kedua balok itu sama, maka diperlukan gaya lebih besar pada balok yang lebih pendek. Dengan demikian, balok yang lebih pendek akan memikul bagian beban yang lebih besar. Besar relatif dari beban yang dipikul pada struktur grid saling tegak lurus, dan bergantung pada sifat fisis dan dimensi elemen-elemen grid tersebut (Gambar 4.36). Pada grid yang lebih kompleks, baik aksi dua arah maupun torsi dapat terjadi. Semua elemen berpartisipasi dalam memikul beban dengan memberikan kombinasi kekuatan lentur dan kekuatan torsi. Defleksi yang terjadi pada struktur grid yang terhubung kaku akan lebih kecil dibandingkan dengan defleksi pada struktur grid terhubung sederhana.

2.2.5. Desain Sistem Dua Arah: Plat, Grid dan Rangka Ruang

a) Desain Plat Beton Bertulang

Beberapa faktor yang merupakan tinjauan desain pada plat beton bertulang. Faktor-faktor itu antara lain :

(1) Momen Plat dan penempatan tulangan baja

Tebal plat beton bertulang dan banyaknya serta lokasi penempatan tulangan baja yang digunakan pada slab atau plat bertinggi konstan selalu bergantung pada besar dan distribusi momen pada plat tersebut. Tulangan baja harus diletakkan pada seluruh daerah tarik. Karena momen bersifat kontinu, maka tulangan baja harus mempunyai jarak yang dekat. Umumnya tulangan dipasang sejajar.

(2) Bentang efektif

Semakin besar bentang, maka semakin besar momen yang timbul. Hal ini berarti, semakin tebal pula plat beton tersebut. Bila plat beton yang digunakan tebal, maka berat sendiri struktur akan bertambah. Karena alasan ini, plat beton seringkali dilubangi untuk mengurangi berat sendiri, tanpa mengurangi tinggi strukturalnya secara berarti. Sistem ini biasa disebut slab wafel. (Gambar 4.37)

(3) Tebal plat

Perbandingan L/d untuk mengestimasi tebal slab secara pendekatan adalah sebagai berikut :

(4) Efek gaya geser

Geser juga terjadi pada plat dan kadang kala bersifat dominan. Memperbesar luas geser plat dapat dilakukan dengan mempertebal plat. Namun hal ini menyebabkan plat tidak ekonomis. Solusinya adalah dengan menggunakan drop panel, yaitu plat dengan penebalan setempat. Alternatif lain, luas geser dapat diperbesar dengan memperbesar ukuran plat. Hal ini dapat dilakukan secara lokal dengan menggunakan kepala kolom (column capitals). Semakin besar kepala kolom, maka akan semakin besar pula luas geser plat. Plat yang menggunakan kepala kolom seperti ini biasanya disebut plat datar (flat slab). (Gambar 4.38)

b) Struktur Rangka Ruang

Beberapa faktor yang akan diuraikan berikut merupakan tinjauan desain pada struktur rangka ruang. Faktor-faktor itu antara lain :

(1) Gaya-gaya elemen struktur

Gambar 4.39 berikut ini mengilustrasikan gaya-gaya elemen yang terjadi pada struktur rangka ruang.

(2) Desain batang dan bentuk

Banyak sekali unit geometris yang dapat digunakan untuk membentuk unit berulang mulai dari tetrahedron sederhana, sampai bentuk-bentuk polihedral lain (Gambar 4.40). Rangka ruang tidak harus terdiri atas modul-modul individual, tapi dapat pula terdiri atas bidang-bidang yang dibentuk oleh batang menyilang dengan jarak seragam.

Struktur Plat Lipat

Kekakuan struktur plat satu arah dapat sangat dibesarkan dengan menghilangkan sama sekali permukaan planar, dan membuat deformasi besar pada plat itu, sehingga tinggi struktural plat semakin besar. Struktur semacam ini disebut plat lipat (folded plat), seperti pada Gambar 4.41..

Karateristik struktur plat lipat adalah masing-masing elemen plat berukuran relatif panjang. Prinsip desain yang mendasari hal ini adalah mengusahakan sedemikian rupa agar sebanyak mungkin material terletak jauh dari bidang tengah struktur.

2.2.6. Sistem Struktur dan Konstruksi Bangunan Bertingkat Tinggi

Dasar pemilihan suatu sistem struktur untuk bangunan tinggi adalah harus memenuhi syarat kekuatan dan kekakuan. Sistem struktur harus mampu menahan gaya lateral dan beban gravitasi yang dapat menyebabkan deformasi geser horisontal dan lentur. Hal lain yang penting dipertimbangkan dalam perencanaan skema struktural dan layout adalah persyaratan-persyaratan meliputi detail arsitektural, utilitas bangunan, transportasi vertikal, dan pencegahan kebakaran. Efisiensi dari sistem struktur dinilai dari kemampuannya dalam menahan beban lateral yang tinggi, dimana hal ini dapat menambah tinggi rangka. Suatu bangunan dinyatakan sebagai bangunan tinggi bila efek beban lateral tercermin dalam desainnya. Defleksi lateral dari suatu bangunan tinggi harus dibatasi untuk mencegah kerusakan elemen struktural dan non-struktural. Kecepatan angin di bagian atas bangunan juga harus dibatasi sesuai dengan kriteria kenyamanan, untuk menghindari kondisi yang tidak nyaman bagi penghuninya. Gambar 4.42 berikut ini adalah batasan-batasan umum, dimana suatu sistem rangka dapat digunakan secara efisien untuk bangunan bertingkat banyak.

Berbagai jenis sistem struktur di atas dapat diklasifikasikan atas dua kelompok utama, yaitu :

? medium-height building, meliputi : shear-type deformation predominant

? high-rise cantilever structures, meliputi : framed tubes, diagonal tubes, and braced trusses

Klasifikasi ini didasarkan atas keefektifan struktur tersebut dalam menahan beban lateral. Dari diagram di atas, sistem struktur yang terletak pada ujung kiri adalah sistem struktur rangka dengan tahanan momen yang efisien untuk bangunan dengan tinggi 20-30 lantai. Dan pada ujung kanan adalah sistem struktur tubular dengan efisiensi kantilever tinggi. Sistem struktur lainnya merupakan sistem struktur yang bentuknya merupakan aplikasi dari berbagai batasan ekonomis dan batasan ketinggian bangunan. Menurut Council on Tall Buildings and Urban Habitat 1995, dalam menyusun suatu metode klasifikasi bangunan tinggi berdasarkan sistem     strukturnya, klasifikasi ini harus meliputi bahasan atas empat tinjauan, yaitu tinjauan terhadap : sistem rangka utama, sub-sistem pengekang (bracing), rangka lantai, dan konfigurasi serta distribusi beban. Pengelompokan ini ditekankan pada tahanan terhadap beban lateral. Sedangkan bahasan terhadap fungsi pikul-beban dari sub-sistem bangunan tinggi bisa lebih bebas ditentukan. Suatu sistem pencakar langit yang efisien harus mempunyai elemen penahan beban vertikal yang sesuai dalam sub-sistem beban lateral dengan tujuan untuk meminimalkan beban lateral terhadap keseluruhan struktur.

2.2.7. Klasifikasi Rangka Bangunan Bertingkat

Dengan mengetahui berbagai variasi sistem rangka, maka dapat memudahkan pembuatan model sistem rangka bertingkat banyak. Unt uk struktur tiga dimensi yang lebih rumit yang melibatkan interaksi berbagai sistem struktur, model yang sederhana sangat berguna dalam tahap preliminary design dan untuk komputasi. Model ini harus dapat mempresentasikan perilaku dari tiap elemen rangka dan efeknya terhadap keseluruhan struktur. Berikut ini akan dibahas tentang beberapa sistem rangka sebagai struktur untuk konstruksi bangunan berlantai banyak.

a) Rangka Momen (Moment Frames)

Suatu rangka momen memperoleh kekakuan lateral terutama dari tekukan kaku dari elemen rangka yang saling dihubungkan dengan sambungan kaku. Sambungan ini harus didesain sedemikian rupa sehingga punya cukup kekuatan dan kekakuan, serta punya kecenderungan deformasi minimal. Deformasi yang akan terjadi harus diusahakan seminimal mungkin berpengaruh terhadap distribusi gaya internal dan momen dalam struktur atau dalam keselutuhan deformasi rangka. Suatu rangka kaku tanpa pengekang (unbraced) harus mampu memikul beban lateral tanpa mengandalkan sistem bracing tambahan untuk stabilitasnya. Rangka itu sendiri harus tahan terhadap gaya-gaya rencana, meliputi beban dan gaya lateral. Disamping itu, rangka juga harus mempunyai cukup kekakuan lateral untuk menahan goyangan bila dibebani gaya horisontal dari angin dan gempa. Walaupun secara detail, sambungan kaku mempunyai nilai ekonomis struktur yang rendah, namun rangka kaku tanpa pengekang menunjukkan kinerja yang lebih baik dalam merespon beban dan gempa. Dari sudut pandang arsitektural, akan banyak keuntungan bila tidak digunakan sistem bracing triangulasi atau sisitem dinding solid pada bangunan.

b) Rangka Sederhana

Suatu sistem rangka sederhana mengacu pada sistem struktur dimana balok dan kolom dihubungkan dengan sambungan baut (pinnedjoints), dan sistem ini tidak mempunyai ketahanan terhadap beban lateral. Stabilitas struktur ini dicapai dengan menambahkan sistem pengaku (bracing) sepeti pada gambar 4.43. Dengan demikian, beban lateral ditahan oleh bracing. Sedangkan beban vertikal dan lateral ditahan oleh sistem rangka dan sistem bracing tersebut. Beberapa alasan penggunaan rangka dengan sambungan baut (pinned-joints frame) dalam desain rangka baja bertingkat banyak adalah :

a. Rangka jenis ini mudah dilaksanakan

b. Sambungan baut lebih dipilih dibandingkan sambungan las, yang umumnya memerlukan pengawasan khusus, perlindungan terhadap cuaca, dan persiapan untuk permukaannya dalam pengerjaannya.

c. Rangka jenis ini mudah dari segi desain dan analisis.

d. Lebih efektif dari segi pembiayaan. Penggunaan sistem bracing pada rangka sederhana lebih efektif bila dibandingkan dengan penggunaan sambungan kaku pada rangka sederhana.

c) Sistem Pengekang (Bracing Systems)

Sistem bracing menjamin stabilitas lateral dari keseluruhan kinerja rangka. Sistem ini bisa berupa rangka triangulasi, dinding geser atau core, atau rangka dengan sambungan kaku. Umumnya bracing pada gedung ditempatkan untuk mengakomodasi ruang lift dan tangga. Pada struktur baja, umumnya digunakan truss triangulasi vertikal sebagai bracing. Tidak seperti pada struktur beton, dimana semua sambungan bersifat menerus, cara yang paling efisien pada baja digunakan sambungan berupa penggantung untuk menghubungkan masing-masing elemen baja. Untuk struktur yang sangat kaku, dinding geser / shear wall atau core umum digunakan. Efesiensi bangunan dalam menahan gaya lateral bergantung pada lokasi dan tipe sistem bracing yang digunakan untuk mengantikan dinding geser dan core di sekelilimg shaft lift dan tangga.

d) Rangka dengan Pengekang (Braced Frame) dan Rangka Tanpa Pengekang (Unbraced Frame)

Sistem rangka bangunan dapat dipisahkan dalam dua macam sistem, yaitu sistem tahanan beban vertikal dan sistem tahanan beban horisontal. Fungsi utama dari sistem bracing ini adalah untuk menahan gaya lateral. Pada beberapa kasus, tahanan beban vertikal juga mempunyai kemampuan untuk menahan gaya horisontal. Untuk membandingkan kedua sistem bracing ini perlu diperhatikan perilaku sistem terutama responnya terhadap gaya-gaya horisontal.

Gambar 4.44 menunjukan perbandingan antara kedua sistem bracing di atas. Struktur A menahan beban horisontal dengan sistem bracing yang merupakan kesatuan dengan struktur utama. Sedangkan struktur B menahan beban horisontal dengan sistem bracing yang sifatnya terpisah dari struktur utama. Suatu rangka dapat diklasifikasikan sebagai rangka berpengaku

(braced) bila tahanan terhadap goyangan disediakan oleh sistem bracing sebagai respon terhadap beban lateral, dimana pengekang tersebut mempunyai cukup kekakuan dan dapat secara akurat merespon beban horisontal. Rangka dapat diklasifikasikan sebagai rangka berpengekang (braced) bila sistem bracing mampu mereduksi geser horisontal lebih dari 80%.

e) Sway Frame dan Un-sway Frame

Suatu rangka dapat diklasifikasikan sebagai ‘un-sway frame’ bila respon terhadap gaya horisontal dalam bidang cukup kaku untuk menghindari terjadinya tambahan gaya internal dan momen dari pergeseran horisontal tersebut. Dalam desain rangka bangunan berlantai banyak, perlu untuk memisahkan kolom dari rangka dan memperlakukan stabilitas dari kolom dan rangka sebagai masalah yang berbeda. Untuk kolom dalam rangka berpengaku, diasumsikan bahwa kolom dibatasi pada ujung-ujungnya dari geser horisontal, sehingga pada ujung kolom hanya dikenai momen dan beban aksial yang diteruskan oleh rangka.

Selanjutnya diasumsikan bahwa rangka sebagai sistem bracing memenuhi stabilitas secara keseluruhan dan tidak mempengaruhi perilaku kolom. Pada desain ‘sway frame’, kolom dan rangka saling berinteraksi satu sama lainnya. Sehingga pada desain ‘sway frame’, harus dipertimbangkan bahwa rangka merupakan menjadi bagian atau merupakan keseluruhan struktur bangunan tersebut.