TEKNIK STRUKTUR BANGUNAN DENGAN KONSTRUKSI BAJA

6.1. Sifat Baja sebagai Material Struktur Bangunan  
 

     Penggunaan baja sebagai bahan struktur utama dimulai pada akhir abad kesembilan belas ketika metode pengolahan baja yang murah dikembangkan dengan skala yang luas. Baja merupakan bahan yang mempunyai sifatstruktur yang baik. Baja mempunyai kekuatan yang tinggi dan sama kuat pada kekuatan tarik maupun tekan dan oleh karena itu baja adalah elemen struktur yang memiliki batasan sempurna yang akan menahan beban jenis tarik aksial, tekan aksial, dan lentur dengan fasilitas yang hampir sama. Berat jenis baja tinggi, tetapi perbandingan antara kekuatan terhadap beratnya juga tinggi sehingga komponen baja tersebut tidak terlalu berat jika dihubungkan dengan kapasitas muat bebannya, selama bentuk-bentuk struktur

yang digunakan menjamin bahwa bahan tersebut dipergunakan secara efisien.

6.1.1. Keuntungan Baja sebagai Material Struktur Bangunan

     Di samping kekuatannya yang besar untuk menahan kekuatan tarik dan tekan tanpa membutuhkan banyak volume, baja juga mempunyai sifatsifat lain yang menguntungkan sehingga menjadikannya sebagai salah satu bahan bangunan yang sangat umum dipakai dewasa ini. Beberapa keuntungan baja sebagai material struktur antara lain:

Kekuatan Tinggi

     Dewasa ini baja bisa diproduksi dengan berbagai kekuatan yang bisa dinyatakan dengan kekuatan tegangan tekan lelehnya (Fy) atau oleh tegangan tarik batas (Fu). Bahan baja walaupun dari jenis yang paling rendah kekuatannya, tetap mempunyai perbandingan kekuatan per-volume lebih tinggi bila dibandingkan dengan bahan-bahan bangunan lainnya yang umum dipakai. Hal ini memungkinkan perencanaan sebuah konstruksi baja bisa mempunyai beban mati yang lebih kecil untuk bentang yang lebih panjang, sehingga. memberikan kelebihan ruang dan volume yang dapat dimanfaatkan akibat langsingnya profil-profil yang dipakai. 

Kemudahan Pemasangan 

     Semua bagian-bagian dari konstruksi baja bisa dipersiapkan di bengkel, sehingga satu-satunya kegiatan yang dilakukan di lapangan ialah kegiatan pemasangan bagian-bagian konstruksi yang telah dipersiapkan. Sebagian besar dari komponen-komponen konstruksi mempunyai bentuk standar yang siap digunakan bisa diperoleh di toko-toko besi, sehingga waktu yang diperlukan untuk membuat bagian-bagian konstruksi baja yang

telah ada, juga bisa dilakukan dengan mudah karena komponen-komponen baja biasanya mempunyai bentuk standar dan sifat-sifat yang tertentu, serta

mudah diperoleh di mana-mana. 

Keseragaman 

     Sifat-sifat baja baik sebagai bahan bangunan maupun dalam bentuk struktur dapat terkendali dengan baik sekali, sehingga para ahli dapat mengharapkan elemen-elemen dari konstruksi baja ini akan berperilaku sesuai dengan yang diperkirakan dalam perencanaan. Dengan demikian bisa dihindari terdapatnya proses pemborosan yang biasanya terjadi dalam perencanaan akibat adanya berbagai ketidakpastian.

Daktilitas

     Sifat dari baja yang dapat mengalami deformasi yang besar di bawah pengaruh tegangan tarik yang tinggi tanpa hancur atau putus disebut sifat daktilitas. Adanya sifat ini membuat struktur baja mampu mencegah terjadinya proses robohnya bangunan secara tiba-tiba. Sifat ini sangat menguntungkan ditinjau dari aspek keamanan penghuni bangunan bila terjadi suatu goncangan yang tiba-tiba seperti misalnya pada peristiwa gempa bumi. Di samping itu keuntungan-keuntungan lain dari struktur baja, antara lain adalah:

− Proses pemasangan di lapangan berlangsung dengan cepat.

− Dapat di las.

− Komponen-komponen struktumya bisa digunakan lagi untuk keperluan lainnya.

− Komponen-komponen yang sudah tidak dapat digunakan lagi masih mempunyai nilai sebagai besi tua.

− Struktur yang dihasilkan bersifat permanen dengan cara pemeliharaan yang tidak terlalu sukar. 

Selain keuntungan-keuntungan tersebut bahan baja juga mempunyai kelemahan-kelemahan sebagai berikut :

− Komponen-komponen struktur yang dibuat dari bahan baja perlu diusahakan supaya tahan api sesuai dengan peraturan yang berlaku untuk bahaya kebakaran.

− Diperlukannya suatu biaya pemeliharaan untuk mencegah baja dari bahaya karat.

− Akibat kemampuannya menahan tekukan pada batang-batang yang langsing, walaupun dapat menahan gaya-gaya aksial, tetapi tidak bisa mencegah terjadinya pergeseran horisontal

6.1.2. Sifat Mekanis Baja

Menurut SNI 03–1729–2002 tentang TATA CARA PERENCANAAN STRUKTUR BAJA UNTUK BANGUNAN GEDUNG Sifat mekanis baja struktural yang digunakan dalam perencanaan harus memenuhi persyaratan minimum yang diberikan pada Tabel 6.1. 􀂃 Tegangan leleh Tegangan leleh untuk perencanaan (f y) tidak boleh diambil melebihi nilai yang diberikan Tabel 6.1. 􀂃 Tegangan putus Tegangan putus untuk perencanaan (fu) tidak boleh diambil melebihi nilai yang diberikan Tabel 6.1.

Tabel 6.1. Sifat mekanis baja struktural

Sifat-sifat mekanis lainnya, Sifat-sifat mekanis lainnya baja struktural untuk maksud perencanaan ditetapkan sebagai berikut:

Modulus elastisitas : E = 200.000 MPa

Modulus geser        : G = 80.000 MPa

Nisbah poisson       : μ = 0,3

Koefisien pemuaian : á = 12 x 10 -6 / o C

     Bentuk elemen baja sangat dipengaruhi oleh proses yang digunakan untuk membentuk baja tersebut. Sebagian besar baja dibentuk oleh proses hot-rolling (penggilingan dengan pemanasan) atau cold-forming (pembentukan dengan pendinginan). Penggilingan dengan pemanasan (hot-rolling) adalah proses pembentukan utama di mana bongkahan baja yang merah menyala secara besar-besaran digelindingkan di antara beberapa kelompok penggiling. Penampang melintang dari bongkahan yang ash biasanya dicetak dari baja yang baru dibuat dan biasanya berukuran sekitar 0,5 m x 0,5 m persegi, yang akibat proses penggilingan ukuran penampang melintang dikurangi menjadi lebih kecil dan menjadi bentuk yang tepat dan khusus.

Batasan bentuk penampang melintang yang dihasilkan sangat besar dan masing-masing bentuk memerlukan penggilingan

akhir tersendiri. Bentuk penampang melintang I dan H biasanya digunakan untuk elemenelemen besar yang membentuk balok       

dan kolom pada rangka struktur. Bentuk kanal dan siku cocok untuk elemen-elemen kecil seperti lapisan tumpuan sekunder dan sub-elemen pada rangka segitiga. Bentuk penampang persegi, bulat, dan persegi empat yang berlubang dihasilkan dalam batasan ukuran yang luas dan digunakan seperti halnya pelat datar dan batang solid dengan berbagai ketebalan. Perincian ukuran dan geometri yang dimiliki seluruh penampang standar didaftarkan dalam tabel penampang yang dibuat oleh pabrik baja.

Pembentukan dengan pendinginan (cold-forming) adalah metode lain yang digunakan untuk

membuat komponen-komponen baja dalam jumlah yang besar. Dalam proses ini, lembaran baja tipis datar yang telah dihasilkan dari proses peng-gilingan dengan pemanasan dilipat

atau dibengkokkan dalam keadaan dingin untuk membentuk penampang melintang struktur

(Gambar 6.3).

Elemen-elemen yang dihasilkan dari proses ini mempunyai karakteristik yang serupa dengan penampang yang dihasilkan dari proses penggilingan dengan pemanasan.

Sisi paralel elemen-elemen tersebut memiliki penampang yang tetap, tetapi

ketebalan logam tersebut berkurang sehingga elemen-elemen tersebut lebih

ringan, dan tentunya memiliki kapasitas muat beban yang lebih rendah.

Bagaimanapun, proses-proses tersebut memungkinkan pembuatan bentuk

penampang yang sulit.

Satu hal lain yang membedakan proses-proses tersebut adalah bahwa peralatan yang digunakan untuk proses pencetakan dengan pendinginan lebih sederhana dan dapat digunakan untuk menghasilkan penampang melintang yang bentuknya disesuaikan untuk penggunaan yang khusus. Karena penampang yang dibentuk dengan pendinginan memiliki kapasitas muat yang rendah, maka penampang ini terutama digunakan untuk elemen sekunder pada struktur atap, seperti purlin, dan untuk sistem lapisan tumpuan. Potensi elemen-elemen tersebut untuk perkembangan di masa yang akan datang sangat besar. 

     Komponen struktur baja dapat juga dihasilkan dengan pencetakan, yang dalam kasus yang sangat kompleks memungkinkan pembuatan bentuk penampang yang sesuai dengan kebutuhan. Akan tetapi, teknik ini bermasalah ketika digunakan untuk komponen struktur, yang disebabkan oleh kesulitan untuk menjamin mutu cetakan yang baik dan sama di keseluruhan bagian.

     Fungsi struktur merupakan faktor utama dalam penentuan konfigurasi struktur. Berdasarkan konfigurasi struktur dan beban rencana, setiap elemen atau komponen dipilih untuk menyangga dan menyalurkan beban pada keseluruhan struktur dengan baik. Batang baja dipilih sesuai standar yang ditentukan oleh American Institute of Steel Construction (AISC) juga diberikan oleh American Society of Testing and Materials (ASTM). Pengelasan memungkinkan penggabungan plat dan/atau profil lain untuk mendapatkan suatu profil yang dibutuhkan oleh perencana atau arsitek.

     Penampang yang dibuat dengan penggilingan panas, seperti diperlihatkan pada Gambar 6.4. Penampang yang paling banyak dipakai ialah profil sayap lebar (wide-flange) [Gambar 6.4(a)] yang dibentuk dengan penggilingan panas dalam pabrik baja. Ukuran profil sayap lebar ditunjukkan oleh tinggi nominal dan berat per kaki (ft), seperti W18 X 97 mempunyai tinggi 18 in (menurut AISC Manual tinggi sesungguhnya = 18,59 in) dan berat 97 pon per kaki. (Dalam satuan SI, penampang W18 X 97 disebut sebagai W460 x 142 yang tingginya 460 mm dan massanya 142 kg/m).

     Balok Standar Amerika [Gambar 6.4(b)] yang biasanya disebut balok I memiliki sayap (flange) yang pendek dan meruncing, serta badan yang tebal dibanding dengan profil sayap lebar. Balok I jarang dipakai dewasa ini karena bahan yang berlebihan pada badannya dan kekakuan lateralnya relatif kecil (akibat sayap yang pendek). Kanal [Gambar 6.4(c)] dan siku [Gambar 6.4(d)] sering dipakai baik secara tersendiri atau digabungkan dengan penampang lain. Kanal misalnya ditunjukkan dengan C12 X 20,7, yang berarti tingginya 1.2 in dan beratnya 20,7 pon per kaki. Siku diidentifikasi oleh panjang kaki (yang panjang ditulis

lebih dahulu) dan tebalnya, seperti, L6 X 4 X 3 Profil T struktural [Gambar 6.4(e)] dibuat dengan membelah dua profil sayap lebar atau balok I dan biasanya digunakan sebagai batang pada rangka batang (truss). Profil T misaInya diidentifikasi sebagai WT5 X 44, dengan 5 adalah tinggi nominal dan 44 adalah berat per kaki; profil T ini didapat dari W10 X 88, Penampang pipa [Gambar 6.4(f)] dibedakan atas "standar", "sangat kuat", dan "dua kali sangat kuat" sesuai dengan tebalnya dan juga dibedakan atas diameternya; misalnya, diameter 10 in-dua kali sangat kuat menunjukkan. ukuran pipa tertentu. Boks struktural [Gambar 6.4(g)] dipakai bila dibutuhkan penampilan arsitektur yang menarik dengan baja ekspos. Boks ditunjukkan dengan dimensi luar dan tebalnya, seperti boks struktural 8 X 6 X 1/4. 

Banyak profil lainnya dibentuk dalam keadaan dingin (cold-formed) dari bahan plat dengan tebal tidak lebih dari 1 in, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 6.5 dan Gambar 6.6. Beberapa keuntungan baja profil dingin antara lain:

− Lebih ringan

− Kekuatan dan kakuan yang tinggi

− Kemudahan pabrikasi dan produksi masal

− Kecepatan dan kemudahan pendirian

− Lebih ekonomis dalam pengangkutan dan pengelolaan

Baja profil keadaan dingin dapat diklasifikasikan menjadi:
− elemen struktur rangka individu (Gambar 6.5)
− lembaran-lembaran panel dan dek (Gambar 6.6)

Standar Nasional Indonesia

Menurut SNI 03 – 1729 – 2002 tentang TATA CARA PERENCANAAN STRUKTUR BAJA UNTUK BANGUNAN GEDUNG, semua baja struktural sebelum ifabrikasi, harus memenuhi ketentuan berikut ini:

− SK SNI S-05-1989-F: Spesifikasi Bahan Bangunan Bagian B (Bahan Bangunan dari Besi/baja);
− SNI 07-0052-1987: Baja Kanal Bertepi Bulat Canai Panas, Mutu dan Cara Uji;
− SNI 07-0068-1987: Pipa Baja Karbon untuk Konstruksi Umum, Mutu dan Cara Uji;
− SNI 07-0138-1987: Baja Kanal C Ringan;
− SNI 07-0329-1989: Baja Bentuk I Bertepi Bulat Canai Panas, Mutu dan Cara Uji;
− SNI 07-0358-1989-A: Baja, Peraturan Umum Pemeriksaan;
− SNI 07-0722-1989: Baja Canai Panas untuk Konstruksi Umum;
− SNI 07-0950-1989: Pipa dan Pelat Baja Bergelombang Lapis Seng;
− SNI 07-2054-1990: Baja Siku Sama Kaki Bertepi Bulat Canai Panas, Mutu dan Cara Uji;

− SNI 07-2610-1992: Baja Profil H Hasil Pengelasan dengan Filter untuk Konstruksi Umum;
− SNI 07-3014-1992: Baja untuk Keperluan Rekayasa Umum;
− SNI 07-3015-1992: Baja Canai Panas untuk Konstruksi dengan Pengelasan;
− SNI 03-1726-1989: Tata Cara Perencanaan Ketahanan Gempa Untuk Rumah dan Gedung.

6.3. 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  enampang 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 erdimensi 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 hingga banyaknya. 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 ilas.