Desain (Struktur) Balok (SISTEM STRUKTUR BANGUNAN)

Balok adalah elemen struktural yang umumnya digunakan dalam konstruksi bangunan untuk menopang beban yang diterapkan pada atap, lantai, atau dinding. Desain balok didasarkan pada sifat-sifat material dan beban yang akan ditopang oleh balok tersebut.

Ada beberapa faktor yang harus diperhatikan dalam desain balok, yaitu:

1.     Beban yang akan ditopang oleh balok, termasuk beban tetap (misalnya, beban bangunan) dan beban hidup (misalnya, beban orang atau barang).
2.     Panjang balok, yaitu jarak antara dua titik penopang atau antara titik penopang dan ujung balok.
3.     Bahan yang digunakan untuk balok, seperti kayu, baja, atau beton. Setiap bahan memiliki sifat-sifat yang berbeda dan memerlukan perhitungan yang berbeda pula.
4.     Bentuk balok, seperti persegi panjang, bundar, atau persegi.
5.     Tipe penopang, seperti dinding atau tiang.
6.     Kondisi lingkungan, seperti kelembaban, suhu, atau gempa.

Desain balok biasanya dilakukan dengan menggunakan software khusus atau perhitungan manual yang memperhitungkan faktor-faktor di atas. Beberapa metode desain balok yang umum digunakan termasuk metode Euler-Bernoulli dan metode Timoshenko.

Dalam desain balok, penting untuk memperhitungkan faktor keamanan dan keandalan sehingga balok dapat menopang beban dengan aman dan tidak mengalami kerusakan struktural. Oleh karena itu, sangat penting untuk mengandalkan desain balok pada ahli teknik sipil yang berpengalaman dan terampil untuk memastikan keselamatan dan keandalan struktur bangunan Anda.

 

Struktur Balok
Analisa Struktur Balok

 Prinsip – prinsip Desain Umum (Struktur) Balok

Variabel utama dalam mendesain balok meliputi: bentang, jarak balok, jenis dan besar beban, jenis material, ukuran dan bentuk penampang, serta cara penggabungan atau fabrikasi. Semakin banyak batasan desain, maka semakin mudah desain dilakukan.

Setiap desain harus memenuhi kriteria kekuatan dan kekakuan untuk masalah keamanan dan kemampuan layan. Pendekatan desain untuk memenuhi kriteria ini sangat bergantung pada material yang dipilih, apakah menggunakan balok kayu, baja atau beton bertulang.

Beberapa faktor yang merupakan prinsip-prinsip desain umum dalam perencanaan balok, yaitu :
(1) Kontrol kekuatan dan kekakuan
(2) Variasi besaran material
(3) Variasi bentuk balok pada seluruh panjangnya
(4) Variasi kondisi tumpuan dan kondisi batas

Prinsip desain praktis balok kayu dipengaruhi oleh berbagai faktor.

Salah satunya adalah sifat kayu yang mempunyai kemampuan untuk memikul tegangan besar dalam waktu singkat. Pada kondisi beban permanen, tegangan ijin perlu direduksi dengan faktor 0,90. Faktor beban untuk angin adalah 1,33. Sedangkan beban normal mempunyai faktor 1,0.

Desain balok baja umumnya didesain berdasarkan beban kerja dan tegangan ijin. Balok yang digunakan bisa berupa penampang gilas (wide flens / sayap lebar), kanal, atau tersusun atas elemen-elemen (plat atau siku). Untuk bentang atau beban yang sangat besar, penampang girder plat yang tersusun dari elemen siku dan plat sering digunakan. Pada balok baja, apabila material balok mulai leleh pada saat dibebani, maka distribusi tegangan yang ada mulai berubah. Balok masih dapat menerima tambahan momen sampai semua bagian penampang telah meleleh.

Desain balok beton tidak dapat digunakan sendiri pada balok karena sangat kecilnya kekuatan tarik, dan karena sifat getasnya (brittle). Retak-retak yang timbul dapat berakibat gagalnya struktur, dimana hal ini dapat terjadi ketika balok beton mengalami lentur. Penambahan baja di dalam daerah tarik membentuk balok beton bertulang dapat meningkatkan kekuatan sekaligus daktilitasnya. Elemen struktur beton bertulang menggabungkan sifat yang dimiliki beton dan baja.

Desain Balok Statis Tak Tentu

Proses desain balok menerus sama saja dengan proses desain balok sederhana. Apabila momen maksimum yang dapat terjadi pada struktur telah diketahui, selanjutnya ditentukan penampang struktur yang cukup untuk memikul momen itu. Prinsip mengenai distribusi material secara optimal di suatu penampang melintang juga dapat diterapkan pada balok menerus.

Beberapa hal khusus yang perlu diperhatikan dalam desain balok statis tak tentu ini diuraikan sebagai berikut:
(1) Desain Momen, secara praktis seperti pada Tabel 1
(2) Penentuan Penampang Balok Menerus
Penentuan ukuran suatu penampang melintang balok menerus tergantung pada besar momen yang ada pada penampang tersebut. Tinggi struktur yang dibentuk disesuaikan dengan momen lentur yang ada.

(3) Penggunaan Titik Hubung Konstruksi

Karena alasan pelaksanaan, kesulitan sering terjadi dalam membuat elemen struktur menerus yang panjang, karena seringnya digunakan titik pelaksanaan (construction joints). Untuk memudahkan pembuatan titik konstruksi, titik-titik itu diletakkan di dekat, atau pada titik belok. Dengan demikian, titik pelaksanaan tidak perlu dirancang untuk memikul momen. Jadi hanya merupakan titik hubung sendi. Dengan menggunakan kondisi momen nol pada titik belok, perilaku balok menerus tersebut dapat dimodelkan sebagai strutur statis tertentu.

(4) Pengontrolan Distribusi Momen

Momen yang timbul pada balok menerus dapat dirancang secara cermat oleh perencana. Hal ini dapat dilakukan dengan berbagai cara. Salah satunya adalah dengan mengatur bentang dan beban pada struktur.

Tabel 1. Desain Momen
Sumber: Chen & Liu, 2005

Beton bertulang merupakan salah satu contoh material yang cocok untuk digunakan pada balok menerus. Kontinuitas dapat diperoleh dengan mengatur penulangan balok beton bertulang tersebut. Tulangan baja diletakkan pada daerah dimana terjadi tegangan tarik. Banyaknya tulangandi setiap lokasi tergantung pada momen yang timbul. 

 

Selengkapnya : Teknik Struktur Bangunan

 

.

Prinsip-prinsip Umum Rangka Batang (SISTEM STRUKTUR BANGUNAN)

Rangka batang atau biasa juga disebut dengan truss adalah struktur yang terdiri dari batang-batang yang tersusun sedemikian rupa sehingga membentuk segitiga atau poligon-poligon tertentu. Rangka batang digunakan untuk menopang beban yang diterapkan pada struktur yang lebih besar seperti atap, jembatan, atau menara.

Beberapa prinsip umum dalam desain rangka batang antara lain:

1.     Prinsip kekuatan dan kekakuan
       Rangka batang didesain sedemikian rupa sehingga memberikan kekakuan dan kekuatan yang cukup untuk menopang beban yang diterapkan. Kekuatan dan kekakuan ini dipengaruhi oleh bahan yang digunakan, ukuran dan bentuk batang, dan tipe persambungan antarbatang.
2.     Prinsip kestabilan
       Rangka batang harus dirancang untuk menjamin kestabilan struktur dan mampu menahan gaya yang mungkin muncul akibat perubahan beban, seperti angin atau gempa.
3.     Prinsip keseimbangan
       Rangka batang harus didesain dengan mempertimbangkan prinsip keseimbangan, di mana kekuatan yang diterapkan pada setiap batang dalam rangka harus seimbang dan tidak terjadi kelebihan atau kekurangan gaya pada salah satu batang.
4.     Prinsip efisiensi
       Desain rangka batang harus mengoptimalkan penggunaan bahan agar menghasilkan struktur yang efisien dan ekonomis.

Dalam mendesain rangka batang, perlu diperhatikan bahwa rangka batang merupakan sistem yang kompleks dan rumit yang memerlukan pengetahuan dan pengalaman yang cukup. Oleh karena itu, sangat penting untuk mengandalkan desain rangka batang pada ahli teknik sipil yang berpengalaman dan terampil untuk memastikan keamanan dan keandalan struktur yang akan dibangun. 

 

 

Struktur Rangka Batang (SISTEM STRUKTUR BANGUNAN)

a. Prinsip Dasar Triangulasi

Prinsip utama yang mendasari penggunaan rangka batang sebagai struktur pemikul beban adalah penyusunan elemen menjadi konfigurasi segitiga yang menghasilkan bentuk stabil. Pada bentuk segiempat atau bujursangkar, bila struktur tersebut diberi beban, maka akan terjadi deformasi masif dan menjadikan struktur tak stabil. Bila struktur ini diberi beban, maka akan membentuk suatu mekanisme runtuh (collapse), sebagaimana diilustrasikan pada gambar berikut ini. Struktur yang demikian dapat berubah bentuk dengan mudah tanpa adanya perubahan pada panjang setiap batang. Sebaliknya, konfigurasi segitiga tidak dapat berubah bentuk atau runtuh, sehingga dapat dikatakan bahwa bentuk ini stabil (Gambar 1).

Pada struktur stabil, setiap deformasi yang terjadi relatif kecil dan dikaitkan dengan perubahan panjang batang yang diakibatkan oleh gaya yang timbul di dalam batang sebagai akibat dari beban eksternal. Selain itu, sudut yang terbentuk antara dua batang tidak akan berubah apabila struktur stabil tersebut dibebani. Hal ini sangat berbeda dengan mekanisme yang terjadi pada bentuk tak stabil, dimana sudut antara dua batangnya berubah sangat besar.

Pada struktur stabil, gaya eksternal menyebabkan timbulnya gaya pada batang-batang. Gaya-gaya tersebut adalah gaya tarik dan tekan murni. Lentur (bending) tidak akan terjadi selama gaya eksternal berada pada titik nodal (titik simpul). Bila susunan segitiga dari batang-batang adalah bentuk stabil, maka sembarang susunan segitiga juga membentuk struktur stabil dan kukuh. Hal ini merupakan prinsip dasar penggunaan rangka batang pada gedung. Bentuk kaku yang lebih besar untuk sembarang geometri dapat dibuat dengan memperbesar segitiga-segitiga itu. Untuk rangka batang yang hanya memikul beban vertikal, pada batang tepi atas umumnya timbul gaya tekan, dan pada tepi bawah umumnya timbul gaya tarik. Gaya tarik atau tekan ini dapat timbul pada setiap batang dan mungkin terjadi pola yang berganti-ganti antara tarik dan tekan.

Gambar 1. Rangka Batang dan Prinsip-prinsip Dasar Triangulasi
Sumber: Schodek, 1999

Penekanan pada prinsip struktur rangka batang adalah bahwa struktur hanya dibebani dengan beban-beban terpusat pada titik-titik hubung agar batang-batangnya mengalami gaya tarik atau tekan. Bila beban bekerja langsung pada batang, maka timbul pula tegangan lentur pada batang itu sehingga desain batang sangat rumit dan tingkat efisiensi menyeluruh pada batang menurun.

b. Analisa Kualitatif Gaya Batang

Perilaku gaya-gaya dalam setiap batang pada rangka batang dapat ditentukan dengan menerapkan persamaan dasar keseimbangan. Untuk konfigurasi rangka batang sederhana, sifat gaya tersebut (tarik, tekan atau nol) dapat ditentukan dengan memberikan gambaran bagaimana rangka batang tersebut memikul beban. Salah satu cara untuk menentukan gaya dalam batang pada rangka batang adalah dengan menggambarkan bentuk deformasi yang mungkin terjadi. Mekanisme gaya yang terjadi pada konfigurasi rangka batang sederhana dapat dilihat pada Gambar 2. Metode untuk menggambarkan gaya-gaya pada rangka batang adalah berdasarkan pada tinjauan keseimbangan titik hubung. Secara umum rangka batang kompleks memang harus dianalisis secara matematis agar diperoleh hasil yang benar.

Mekanisme Gaya Batang Rangka Batang
A Rangka Batang B
Susunan Rangka Batang Dasar Sifat gaya (tarik / tekan) batang diagonal dapat ditentukan dengan membayangkan batang itu tidak ada dan melihat kecenderungan
deformasinya. Jadi, diagonal yang terletak di antara B - F pada rangka batang A mengalami tarik karena mencegah menjauhnya titik B dan F. Distribusi gaya batang pada rangka batang tersebut adalah :
C= gaya tekan T = gaya tarik
Analogi ’kabel’ atau ’pelengkung’ dapat digunakan untuk menentu-kan sifat (tarik / tekan) gaya batang. Di dalam rangka batang kiri, batang FBD dibayangkan sebagai ’kabel’ yang mengalami tarik. Batang-batang lain berfungsi mempertahankan keseimbangan konfigurasi ’kabel’ dasar tersebut.

Gambar 2. Mekanisme Gaya-gaya pada Rangka Batang Sumber: Schodek, 1999

Analisa Rangka Batang

Desain Rangka Batang

Selengkapnya : Teknik Struktur Bangunan

.