Elemen Batang Tarik Pada Struktur Baja Image

Elemen Batang Tarik Pada Struktur Baja

Melakukan perhitungan elemen batang tarik pada komponen struktur baja merupakan hal yang mudah bagi seorang engineer karena constraint perhitungannya tidak sebanyak komponen elemen baja lainnya.

Yang susah adalah membangun intuisi engineering dalam menentukan apakah elemen dari struktur baja tersebut adalah elemen tarik, elemen tekan, atau elemen lentur.

Bagaimana kalau asumsi kita ternyata salah dalam menentukan klasifikasi elemen?

Tentunya hal tersebut bisa berakibat fatal, karena asumsi serta constraint yang kita terapkan pada perhitungan tidak dapat mengakomodir beban yang terjadi pada kondisi real.

Karena itu, pemahaman konsep terhadap elemen tarik sangat diperlukan untuk membangun intuisi serta mengecek apakah intuisi asumsi kita telah sesuai atau belum.

Sebelum lanjut, kita intip dulu kira - kira apa saja yang dibahas di artikel ini.

Elemen Batang Tarik

Apa Yang Disebut Dengan Elemen Tarik?

Suatu komponen struktur baja bisa dikategorikan sebagai elemen tarik kalau beban yang bekerja pada struktur menimbulkan gaya tarik pada elemen struktur baja yang ditinjau, dimana arah gaya searah dengan sumbu longitudinal elemen tersebut.

Gaya tersebut tidak membuat elemen mengalami deformasi secara vertikal maupun lateral, tapi deformasi yang terjadi berupa deformasi yang searah dengan elemen struktur baja tersebut.

Gampangnya, beban yang bekerja hanya menimbulkan efek melar saja pada elemen baja tersebut, dimana elemen baja tidak melengkung maupun berotasi / terpuntir.

Karena efek dari beban tidak mengakibatkan peralihan lateral, keruntuhan pada elemen tarik tidak termasuk dalam jenis keruntuhan stabilitas.

Batang Tarik biasa ditemukan pada struktur rangka jembatan, rangka atap, tie rods, dan lain sebagainya.

Fondasi Ilmu

Untuk memahami analisa elemen batang tarik, setidaknya kita perlu memiliki pengetahuan mengenai hal - hal berikut ini:

  • Sifat dan Perilaku Material Baja
  • Statika Struktur
  • Konsep LRFD
  • Standar peraturan yang berlaku

Dasar Analisa

Ketika suatu elemen mengalami gaya tarik sebesar F, elemen akan berusaha menahan beban gaya tersebut untuk mempertahankan kesetimbangan seperti terlihat pada gambar di bawah.

Beban F ditahan oleh gaya dalam berupa tegangan σ (stress) pada seluruh area penampang A yang muncul sebagai bentuk reaksi perlawanan terhadap beban tersebut.

Sehingga nilai tegangan dapat dihitung menggunakan rumus :

\(\sigma = {F \over A}\)

Pada kondisi real, distribusi tegangan pada area penampang tidak terbagi rata, tapi tergantung pada letak beban dan lokasi penampang.

Dimana tegangan yang muncul di tengah bentang akan lebih kecil nilainya jika dibandingkan tegangan yang terjadi pada ujung bentang.

Kemudian misalkan letak gaya seperti pada gambar, maka tegangan yang ada disekitar beban F akan lebih besar jika dibandingkan dengan tegangan yang ada di sisi pinggir penampang.

Namun untuk memudahkan analisa, maka tegangan yang muncul dianggap terbagi rata pada penampang sebesar σavg.

Tegangan inilah yang umum digunakan dalam perhitungan yang mana dikenal sebagai Tegangan Nominal atau Engineering Stress.

Yap, dunia engineering terkadang memang bikin stress!!

Gambar Tegangan Tarik Axial
Gaya Tarik Yang Bekerja Pada Elemen Baja

Pada gambar di atas, Fn merupakan vektor dari tegangan σavg yang mana biasa disebut dengan tahanan nominal atau Kuat Tarik Nominal.

Apakah Kuat Tarik Nominal sama besarnya dengan beban tarik?

Jika meninjau hukum Newton 3, maka Kuat Tarik Nominal elemen baja besarnya sama dengan beban yang bekerja, yaitu :

\(Fn = F\)

Namun pada konsep LRFD, beban perlu difaktorkan dan tahanan nominal perlu direduksi untuk memitigasi beban tambahan yang mungkin terjadi.

Sehingga secara umum relasi antara gaya/beban dengan tahanan nominal dinyatakan dengan persamaan berikut ini.

\(Pu \leq \phi Rn\)

Dimana :

Pu = Beban Ultimate [N]

Rn = Tahanan Nominal [N]

φ = Faktor Reduksi

Analisa Elemen Tarik

Berdasarkan basic dari analisa di atas, tentunya sudah bisa kita tarik kesimpulan kalau kekuatan atau tahanan suatu elemen dalam menahan beban tarik yang terjadi tergantung oleh :

  • Tegangan
  • Luas Penampang

Tapi perhitungan dan analisa tidak bisa dilakukan begitu saja.

Karena dalam melakukan analisa kekuatan elemen batang tarik, kita perlu mengetahui kondisi batas elemen tersebut.

Apa itu kondisi batas?

Kondisi batas adalah suatu kondisi yang dapat menyebabkan kegagalan pada suatu elemen struktur.

Pada elemen batang tarik, kondisi yang dapat menyebabkan kegagalan adalah deformasi berlebih dan keretakan.

Deformasi dipengaruhi oleh kelelehan (yield) yang terjadi pada elemen batang, sehingga tahanan leleh dari elemen batang tarik sangat berperan pada besaran deformasi pada elemen.

Tahanan leleh tersebut biasa dikenal dengan istilah tegangan leleh (fy).

Sedangkan keretakan pada elemen batang dipengaruhi oleh kekuatan maksimum elemen tersebut dalam menahan tarik, yang mana biasa dikenal dengan istilah tegangan ultimate atau tegangan putus (fu).

Kondisi batas yang menjadi constraint dalam menganalisa elemen batang tarik yaitu :

  • Kondisi Leleh
  • Kondisi Fraktur
  • Kondisi Geser Blok

Ketiga kondisi batas tersebut merupakan kondisi batas yang ada pada elemen batangnya saja.

Jadi kalau secara sistem, kita juga perlu meninjau kekuatan sambungan dimana elemen tersebut disambung dengan elemen baja lainnya.

Tapi karena hampir semua kitab referensi membahas sambungan secara tersendiri, jadi pembahasannya juga akan dipisah.

Supaya bagi yang baru belajar tidak bingung, nanti dikira saya bikin teori sendiri. Padahal ilmu saya juga masih dangkal.

Kuat Tarik

Dalam melakukan analisa elemen batang tarik, sebelumnya cek dulu apakah kelangsingan profil baja sudah sesuai persyaratan atau belum.

Kalau sudah sesuai, maka selanjutnya kita analisa kuat tarik berdasarkan kondisi batas dari elemen tersebut.

Kondisi Leleh

Kuat tarik elemen baja dalam menahan beban tarik pada kondisi leleh dihitung dengan persamaan berikut ini.

\(\phi_t R_{ny} = \phi_{ty} . f_y . A_g\)

Dimana :

\(\phi_t R_{ny}\) = Kuat Tarik Leleh [N]

\(f_y\) = Tegangan Leleh [MPa]

\(A_g\) = Luas Kotor (Gross) Penampang [mm2]

\(\phi_{ty}\) = 0,9 (SNI-1729:2020-D2.a)

Kondisi Fraktur

Kuat tarik elemen baja dalam menahan beban tarik pada kondisi fraktur dihitung dengan persamaan berikut ini.

\(\phi_t R_{nu} = \phi_{tu}. f_u . A_e\)

Dimana :

\(\phi_t R_{nu}\) = Kuat Tarik Fraktur [N]

\(f_u\) = Tegangan Ultimate [MPa]

\(A_e\) = Luas Efektif Penampang [mm2]

\(\phi_{tu}\) = 0,75 (SNI-1729:2020-D2.b)

Kondisi Geser Blok

Geser blok adalah suatu kondisi dimana terjadi kombinasi beban antara gaya tarik dan gaya geser pada suatu elemen batang tarik yang dapat menyebabkan  elemen tersebut robek.

Kondisi geser blok umumnya terjadi di area sambungan, dimana ketika beban tarik bekerja, otomatis elemen batang juga akan mengalami gaya tarik.

Namun karena ada sambungan berupa baut atau las, maka elemen batang akan bergesekan dengan sambungan yang menimbulkan gaya geser antara elemen batang dengan elemen sambungan.

Kuat tarik elemen batang tarik terhadap geser blok dihitung dengan persamaan berikut ini.

\(\phi_t R_{nv} = \phi_{tv}.min[ (0,6.f_u.A_{nv} + U_{bs}.f_y.A_{gv}),(0,6.f_y.A_{gv} + U_{bs}.f_u.A_{nt})]\)

Dimana :

\(\phi_t R_{nv}\) = Kuat Tarik Geser Blok [N]

\(f_u\) = Tegangan Ultimate [MPa]

\(f_y\) = Tegangan Leleh [MPa]

\(A_{nt}\) = Luas Netto Penampang Yang Memikul Beban Tarik [mm2]

\(A_{nv}\) = Luas Netto Penampang Yang Memikul Beban Geser [mm2]

\(A_{gv}\) = Luas Kotor (Gross) Yang Memikul Beban Geser [mm2]

\(\phi_{tv}\) = 0,75 (SNI-1729:2020-J4.3)

Kuat Tarik Desain

Persamaan di atas hanya merupakan persamaan untuk menentukan kuat tarik elemen batang dalam menahan beban sesuai dengan kondisi batas.

Dari ketiga perhitungan di atas, maka diambil nilai terkecil untuk digunakan sebagai nilai kuat global elemen batang dalam menahan beban tarik.

Sehingga kuat tarik desain didapatkan dengan persamaan berikut.

\(\phi_t R_n = min[\phi_t R_{ny},\phi_t R_{nu},\phi_t R_{nv}]\)

Dimana :

\(\phi_t R_n\) = Kuat Tarik Desain [N]

\(\phi_t R_{ny}\) = Kuat Tarik Leleh [N]

\(\phi_t R_{nu}\) = Kuat Tarik Fraktur [N]

\(\phi_t R_{nv}\) = Kuat Tarik Geser Blok [N]

Cukup panjang perhitungannya yah. Ini baru satu elemen batang tarik, bayangkan kalau ada puluhan atau bahkan ratusan elemen!!

Selanjutnya kita perlu mengecek apakah kekuatan batang tarik bisa digunakan atau tidak dengan persamaan berikut ini.

\(Pu \leq \phi_t Rn\)

Dimana :

Pu = Beban Ultimate / Beban Terfaktor [N]

\(\phi_t R_n\) = Kuat Tarik Desain [N]

Jika Kuat Tarik Desain lebih besar dibandingkan Beban Tarik Ultimate yang bekerja, maka profil baja tersebut dapat digunakan.

Tapi kalau ternyata beban ultimate yang lebih besar, maka profil tersebut tidak dapat digunakan.

Lalu apa solusinya?

Ada beberapa cara yang bisa digunakan, salah satunya dengan mencari profil baja dengan penampang yang lebih besar yang mana bisa berdampak pada biaya.

Cara lain yaitu dengan bermain dengan konfigurasi sambungan, dengan catatan bahwa profil baja tidak fail pada kondisi leleh.

Batas Kelangsingan

Secara umum, sebenarnya kelangsingan suatu profil bukanlah merupakan hal yang crucial pada elemen batang tarik.

Walaupun begitu, kita tetap perlu untuk menganalisa apakah profil batang tarik termasuk dalam kategori langsing atau tidak.

Kenapa kelangsingan perlu dianalisa pada elemen batang tarik ?

Karena kalau elemen baja kelangsingannya tinggi dan terjadi kondisi dimana gaya / beban tarik tiba - tiba hilang, maka akan muncul gaya lanjutan yang dapat menyebabkan peralihan lateral pada elemen batang tarik.

Sedangkan dalam desain elemen batang tarik, kita tidak mengijinkan terjadinya peralihan lateral demi stabilitas struktur.

Kok kedengarannya mirip seperti Ghosting yah ?

Yaps, anda benar!!

Ketika ada lawan jenis (pria/wanita) yang sok cakep datang menghampiri dengan membawa berjuta pesona (a.k.a gaya tarik), kemudian ketika anda sudah mulai stabil dengan gaya yang diberikan, eh tetiba saja si doi menghilang.

Kalau mental anda langsing, tentunya akan menimbulkan peralihan lateral baik pada mental maupun emosional.

So, ketika ada 'gaya tarik' datang anda harus mempertimbangkan kelangsingan dari profil penampang perasaan anda.

Kok malah bahas ghosting!! 😅

Lanjut ke pembahasan.

Makanya dalam SNI 1729:2020 pasal D1, faktor kelangsingan dari profil perlu dipertimbangkan dimana rasio kelangsingan nilainya maksimal 300.

\({L \over r} < 300\)

Dimana :

L = Panjang Elemen [mm]

r = Jari - jari Girasi [mm]

Luas Penampang

Apa itu penampang?

Saya yakin anda pasti sudah tahu tentang penampang, karena anda juga sudah memiliki ilmu tentang mekanika material.

Tapi kalau anda belum begitu mengetahui tentang penampang, it's ok. Karena kapan pun dan dimana pun kita harus belajar dan siap menerima ilmu.

Penampang adalah sisi dalam dari suatu profil, yang mana bukan sisi yang memanjang dari suatu elemen batang.

Bingung juga menjabarkannya, biar lebih jelas anda bisa melihat gambar di bawah, dimana penampang merupakan sisi yang berwarna jingga (orange).

Gambar Penampang Pada Elemen Baja
Penampang Pada Elemen

Luas Kotor

Luas Kotor adalah luas total atau luas utuh dari suatu penampang, dimana kalaupun ada pengurangan area penampang karena lubang misalnya, luas penampang tetap dihitung secara penuh.

Kalau penampang profil masih berbentuk geometri sederhana, seperti pelat baja misalnya, tentunya mudah untuk menghitungnya.

\(A_g = b . h\)

Dimana :

\(A_g\) = Luas Penampang Kotor [mm2]

b = Lebar Penampang [mm]

h = Tinggi Penampang [mm]

Akan tetapi kalau geometri penampang seperti pada profil WF atau CNP, tentunya akan sedikit sulit untuk menghitungnya secara manual.

Bisa saja dilakukan secara manual memakai cara pendekatan dengan mengeliminir 'lekukan' curve yang ada pada penampang, tapi akurasi perlu dipertimbangkan apakah akan berefek besar terhadap kekuatan elemen.

Oleh karena itu, agar lebih akurat kita bisa menggunakan tabel profil baja untuk mendapatkan luas penampang dari profil tertentu.

Untuk lebih memahami, anda bisa melihat contoh perhitungan luas kotor penampang.

Luas Bersih

Kekuatan suatu elemen dengan penampang berlubang dan penampang utuh tanpa lubang tentunya berbeda.

Oleh karena itu, kita perlu menghitung luas bersih dari penampang, dimana area tersebutlah yang menahan beban yang bekerja.

Luas bersih penampang dipengaruhi oleh konfigurasi lubang, apakah lubang berpola segaris atau berpola berseling (staggered).

Sehingga dalam desain, kita juga perlu mempertimbangkan konfigurasi perletakan bautnya karena lubang segaris dan lubang berseling memiliki pola keretakan yang berbeda.

Kalau dalam assessment, kita tinggal melihat konfigurasi yang diterapkan kemudian menganalisanya.

Selain pola lubang, dalam SNI 1729:2020 pasal B4.3.3b ukuran nominal lubang harus memiliki diameter 2 mm lebih besar dibandingkan ukuran baut.

Lubang Segaris

Jika pada elemen batang terdapat lubang segaris, maka luas netto dari penampang tersebut dihitung menggunakan persamaan berikut.

\(A_n = A_g - n . d . t\)

Dimana :

\(A_n\) = Luas Penampang Bersih [mm2]

\(A_g\) = Luas Penampang Kotor [mm2]

n = Jumlah Baut Vertikal / Melintang [bh]

d = Diameter Lubang Baut [mm]

t = Tebal Penampang [mm]

Lubang Berseling

Jika pada elemen batang konfigurasi perletakan baut berpola zigzag (berseling), maka semua pola keretakan yang mungkin terjadi harus di mapping terlebih dahulu.

Setelah pola keretakan terpetakan, selanjutnya luas netto di hitung pada tiap pola tersebut dengan rumus berikut ini.

\(A_n = A_g - n . d . t + \Sigma {{ s^2 \over 4 . g} . t}\)

Dimana :

\(A_n\) = Luas Penampang Bersih [mm2]

\(A_g\) = Luas Penampang Kotor [mm2]

n = Jumlah Baut Vertikal / Melintang [bh]

d = Diameter Lubang Baut [mm]

t = Tebal Penampang [mm]

s = Jarak Horizontal Antar Baut [mm]

g = Jarak Vertikal Antar Baut [mm]

Setelah luas bersih semua pola keretakan didapat, selanjutnya luas bersih dengan nilai terkecil yang digunakan dalam perhitungan.

Supaya lebih paham, anda bisa melihat contoh perhitungan luas bersih penampang, baik dengan konfigurasi lubang segaris maupun berseling.

Luas Efektif

Berdasarkan cuitan luas bersih di atas, sudah terlihat kalau ternyata keberadaan sambungan bisa memperlemah kekuatan suatu elemen baja.

Dan pada area elemen batang yang disambung, analisa luas penampang tidak hanya sampai di luas bersih saja, kita harus menghitung luas efektif untuk memitigasi Shear Lag.

Apa itu Shear Lag?

Shear Lag merupakan suatu fenomena dimana tegangan tidak terdistribusi secara merata di penampang suatu elemen yang menyebabkan kelebihan beban (over-loaded) pada satu bagian, dan kekurangan beban (under-loaded) pada bagian lain.

Hal tersebut umumnya diakibatkan karena konfigurasi perletakan sambungan yang bersifat parsial, dimana sambungan hanya terfokus pada salah satu kaki / bagian dari profil baja.

Berarti perencananya yang ngawur?

Bukan begitu sob, terkadang konfigurasi sambungan secara parsial memang diperlukan.

Seperti untuk menyesuaikan space yang ada atau untuk menyesuaikan kondisi objek yang akan ditumpu misalnya.

Makanya pada analisa kondisi fraktur yang dipakai adalah luas efektif, bukan hanya luas bersih saja.

Untuk menghitung luas efektif, rumus yang digunakan adalah rumus  berikut ini.

\(A_e = U . A_n\)

Dimana :

Ae = Luas Efektif Penampang [mm2]

An = Luas Bersih Penampang [mm2]

U = Faktor Koreksi Shear Lag [mm]

Nilai faktor koreksi shear lag secara lengkap ada di peraturan SNI 1729:2020 pada tabel D3.1. Tapi secara umum beberapa nilai faktor koreksi shear lag bisa dilihat pada tabel di bawah.

Anda juga bisa melihat contoh perhitungan luas efektif penampang untuk lebih memahami.

Nilai Faktor Koreksi Shear Lag Secara Umum
JENIS PROFIL JENIS SAMBUNGAN KONDISI FAKTOR SHEAR LAG (U)
WF, HP, T Baut
  • b/h ≥ 2/3
  • Sambungan hanya di Flange
  • n.baut ≥ 3 per baris
0,9
  • b/h < 2/3
  • Sambungan hanya di Flange
  • n.baut ≥ 3 per baris
0,85
  • Sambungan hanya di Web
  • n.baut ≥ 4 per baris
0,7
Baut & Las Sambungan ada di Flange dan Web 1
Semua Profil Baja Las Sambungan berupa las transversal 1
Pelat, Profil L, Profil T, Profil WF Las Sambungan cuma berupa las longitudinal \({3 . l^2 \over 3 . l^2 + w^2} . (1 - {\bar{x} \over l})\)

Wrapping Up

Kekuatan suatu elemen batang dalam menahan beban tarik a.k.a Kuat Tarik Elemen Baja, secara umum dihitung dengan langkah - langkah berikut :

  1. Identifikasi Beban
  2. Menentukan atau identifikasi profil baja
  3. Check faktor kelangsingan
  4. Menghitung Kuat Tarik pada Kondisi Leleh
  5. Menghitung Kuat Tarik pada Kondisi Fraktur
  6. Menghitung Kuat Tarik pada Kondisi Geser Blok
  7. Menentukan Kuat Tarik Desain berdasarkan nilai kuat tarik terkecil dari kondisi leleh, kondisi fraktur, dan kondisi geser blok
  8. Pengecekan Kuat Tarik Terhadap Beban

Jika hasil perhitungan batang tarik mengindikasikan bahwa elemen batang tersebut aman digunakan, selanjutnya kita perlu menghitung kekuatan dari sambungan, baik itu sambungan baut atau las.

Kemudian baru lanjut ke elemen tetangga, dan melihat apakah elemen terkait masuk dalam klasifikasi elemen batang tarik, batang tekan, atau elemen lentur.

Setelah semua elemen batang pada sistem struktur dihitung dan aman, saatnya bikin report untuk owner atau client yang memberi kerjaan.

Budget gak masuk boss, bisa dikurangi biar masuk budget tidak?

Itulah saat kita tersenyum getir sambil menjaga gesture agar tetap terlihat cool dan bersemangat. Lol 🤣

Sekarang kan sudah banyak software, kenapa bingung?

Masalah software tentunya merupakan bahasan tersendiri, namun yang perlu dicatat adalah Software Hanyalah Tools.

Warna hijau belum tentu aman, tergantung tangan dan otak yang mengoperasikannya.

Bahkan seorang ahli pun terkadang bisa slip karena efek begadang dan dikejar deadline, sehingga mungkin salah dalam melakukan suatu input data.

Apalagi saya yang hanya seorang amatiran. So, ayo kita sama - sama belajar lagi.

Di bawah ini saya juga sertakan sumber referensi yang saya gunakan untuk menulis konten ini, jika anda ingin mengulik dan diving lebih dalam lagi.

Semoga tulisan ini bisa bermanfaat.

Thanks and See You Sob!!!