Sistem Struktur dan Sambungan dalam Konstruksi Kayu

TEKNIK STRUKTUR BANGUNAN DENGAN KONSTRUKSI KAYU
Sifat Kayu sebagai Material Konstruksi
Penggolongan Produk Kayu di Pasaran

Sistem Struktur dan Sambungan dalam Konstruksi Kayu

Hampir semua sistem struktur yang menggunakan kayu sebagai material dasar dapat dikelompokkan ke dalam elemen linear yang membentang dua arah. Susunan hirarki sistem struktur ini adalah khusus.

Pada Gambar Sistem konstruksi untuk struktur kayu diperlihatkan contoh berbagai jenis sistem konstruksi kayu yang umum digunakan.

Gambar Sistem konstruksi untuk struktur kayu

Sumber: Schodek, 1999

RANGKA RINGAN.

Sistem struktur joists ringan pada Gambar (a) adalah konstruksi kayu yang paling banyak digunakan pada saat ini. Sistem joists lantai terutama sangat berguna untuk beban hidup ringan yang terdistribusi merata dan untuk bentang yang tidak besar. Kondisi demikian umumnya dijumpai pada konstruksi rumah. Joists pada umumnya menggunakan tumpuan sederhana karena untuk membuat tumpuan vang dapat menahan momen diperlukan konstruksi khusus. Pada umumnya, lantai dianggap tidak monolit dengan joists kecuali apabila digunakan konstruksi khusus yang menyatukannya.

Gambar Sistem konstruksi untuk struktur kayu (lanjutan)

Sumber: Schodek, 1999

Sistem tumpuan vertikal yang umum digunakan adalah dinding pemikul beban yang dapat terbuat dari bata atau dari susunan elemen kayu (plywood). Dalam hal yang terakhir ini, tahanan lateral pada susunan struktur secara keseluruhan terhadap beban horizontal diperoleh dengan menyusun dinding berlapisan plywood yang berfungsi sebagai bidangbidang geser. Struktur demikian pada umumnya dibatasi hanya sampai tiga atau empat lantai. Pembatasan ini tidak hanya karena alasan kapasitas pikul bebannya, tetapi juga karena persyaratan keamanan terhadap kebakaran yang umum diberikan pada peraturan-peraturan mengenai gedung.
Karena setiap elemen pada sistem struktur ini diletakkan di tempatnya secara individual, maka banvak fleksibilitas dalam penggunaan sistem tersebut, termasuk juga dalam merencanakan hubungan di antara elemen-elemennya.

ELEMEN KULIT BERTEGANGAN (STRESSED SKIN ELEMENTS).

Elemen kulit bertegangan tentu saja berkaitan dengan sistem joists standar [lihat Gambar (b)]. Pada elemen-elemen ini, kayu lapis disatukan dengan balok memanjang sehingga sistem ini dapat. berlaku secara integral dalam molekul lentur. Dengan demikian, sistem yang diperoleh akan bersifat sebagai plat.

Kekakuan sistem ini juga meningkat karena adanya penyatuan tersebut. Dengan demikian, tinggi struktural akan lebih kecil dibandingkan dengan sistem joist standar. Elemen kulit bertegangan ini pada umumnya dibuat tidak di lokasi, dan dibawa ke lokasi sebagai modul-modul. Kegunaannya akan semakin meningkat apabila modul-modul ini dapat dipakai secara berulang. Elemen demikian dapat digunakan pada berbagai struktur, termasuk juga sistem plat lipat berbentang besar.

BALOK BOKS.

Perilaku yang diberikan oleh kotak balok dari kayu lapis [lihat Gambar (c)] memungkinkan penggunaannya untuk berbagai ukuran bentang dan kondisi pembebanan. Sistem yang demikian sangat berguna pada situasi bentang besar atau apabila ada kondisi beban yang khusus. Balok boks dapat secara efisien mempunyai bentang lebih besar daripada balok homogen maupun balok berlapis.

KONSTRUKSI KAYU BERAT

Sebelum sistem joists ringan banyak digunakan, sistem balok kayu berat dengan papan transversal telah banyak digunakan [lihat Gambar (e)]. Balok kayu berlapisan sekarang banyak digunakan sebagai alternatif dari balok homogen. Sistem demikian dapat mempunyai kapasitas pikul beban dan bentang lebih besar daripada sistem joist. Sebagai contoh, dengan balok berlapisan, bentang yang relatif besar adalah mungkin karena tinggi elemen struktur dapat dengan mudah kita peroleh dengan menambah lapisan. Elemen demikian umumnya bertumpuan sederhana, tetapi kita dapat juga memperoleh, tumpuan yang mampu memikul momen dengan menggunakan konstruksi khusus.

RANGKA BATANG

Rangka batang kayu merupakan sistem berbentang satu arah yang paling banyak digunakan karena dapat dengan mudah menggunakan banyak variasi dalam konfigurasi dan ukuran batang. Rangka batang dapat dibuat tidak secara besar-besaran, tetapi dapat dibuat secara khusus untuk kondisi beban dan bentang tertentu. Sekalipun demikian, kita juga. membuat rangka batang secara besar-besaran (mass production). Rangka batang demikian umumnya digunakan pada situasi bentang tidak besar dan beban ringan. Rangka batang tnissed rafter pada Gambar (g) misalnya, banyak digunakan sebagai konstruksi atap pada bangunan rumah. Sistem yang terlihat pada Gambar (b) analog dengan balok baja web terbuka dan berguna untuk situasi bentang besar (khususnya untuk atap).

Sistem penumpu vertikal pada struktur ini umumnya berupa dinding batu atau kolom kayu. Tahanan terhadap beban lateral pada struktur ini umumnya diperoleh dengan menggunakan dinding tersebut sebagai bidang geser. Apabila bukan dinding, melainkan kolom yang digunakan, pengekang (bracing) dapat pula digunakan untuk meningkatkan kestabilan struktur terhadap beban lateral. Peningkatan kestabilan dengan menggunakan titik hubung kaku dapat saja digunakan untuk struktur rendah, tetapi hal ini jarang dilakukan.

PLAT LIPAT DAN PANEL PELENGKUNG

Banyak struktur plat lengkung atau plat datar yang umumnya berupa elemen berbentang satu, yang dapat dibuat dari kayu. Kebanyakan struktur tersebut menggunakan kayu lapis. Gambar (j) dan (k) mengilustrasikan dua contoh struktur itu.

PELENGKUNG

Bentuk pelengkung standar dapat dibuat dari kayu. Elemen berlapisan paling sering digunakan. Hampir semua bentuk pelengkung dapat dibuat dengan menggunakan kayu. Bentang yang relatif panjang dapat saja diperoleh. Struktur-struktur ini umumnya berguna sebagai atap saja. Kebanyakan bersendi dua atau tiga, dan tidak dijepit.

LAMELLA

Konstruksi lamella merupakan suatu cara untuk membuat permukaan lengkung tunggal atau ganda dari potongan-potongan kecil kayu [lihat Gambar (l)]. Konstruksi yang menarik ini dapat digunakan untuk membuat permukaan silindris berbentang besar, juga untuk struktur kubah. Sistem ini sangat banyak digunakan, terutama pada struktur atap.

UKURAN ELEMEN

Gambar Perkiraan batas bentang untuk berbagai sistem kayu mengilustrasikan kira-kira batas-batas bentang untuk berbagai jenis struktur kayu. Bentang "maksimum" yang diperlihatkan pada diagram ini bukanlah bentang maksimum yang mungkin, melainkan batas bentang terbesar yang umum dijumpai. Batasan bentang minimum menunjukkan bentang terkecil yang masih ekonomis. Juga diperlihatkan kira-kira batas-batas tinggi untuk berbagai bentang setiap sistem. Angka yang kecil menunjukkan tinggi minimum yang umum untuk sistem yang bersangkutan dan angka lainnya menunjukkan tinggi maksimumnya. Tinggi sekitar L/20, misalnya, mengandung arti bahwa elemen struktur yang bentangnya 16 ft (4,9 m) harus mempunyai tinggi sekitar 16 ft/20 = 0,8 ft (0,24 m).

Kolom kayu pada umumnya mempunyai perbandingan tebal terhadap tinggi (t/h) bervariasi antara 1 : 25 untuk kolom yang dibebani tidak besar dan relatif pendek, atau sekitar 1 : 10 untuk kolom yang dibebani besar pada gedung bertingkat, Dinding yang dibuat dari elemen-elemen kayu mempunyai perbandingan t/h bervariasi dari I : 30 sampai I : 15.

Gambar Perkiraan batas bentang untuk berbagai sistem kayu
Sumber: Schodek, 1999

8.3.1. Produk Alat Sambung untuk Struktur Kayu

a) Alat Sambung Paku untuk Struktur Kayu

b) Alat sambung sekerup untuk Struktur Kayu

8.3.2. Konstruksi Sambungan Gigi

Walaupun sambungan ini sebenarnya malah memperlemah kayu, namun karena kemudahannya, sambungan ini banyak diterapkan pada konstruksi kayu sederhana di Indonesia utamanya untuk rangka kuda-kuda atap. Kekuatan sambungan ini mengandalkan kekuatan geseran dan atau kuat tekan / tarik kayu pada penyelenggaraan sambungan.

Kekuatan tarikan atau tekanan pada sambungan bibir lurus di atas ditentukan oleh geseran dan kuat desak tampang sambungan gigi. Dua kekuatan tersebut harus dipilih yang paling lemah untuk persyaratan kekuatan struktur.

P geser = τ ijin a b (8.6)

Dimana :
τ ijin = Kuat / tegangan geser ijin kayu tersambung
b = lebar kayu
a = panjang tampang tergeser

P desak = σ ijin b t (8.7)

Dimana :
σ ijin = Kuat / tegangan ijin desak kayu tersambung
b = lebar kayu
t = tebal tampang terdesak

Gambar Contoh Sambungan gigi
Sumber: Forest Products Laboratory USDA, 1999

8.3.3. Konstruksi Sambungan Baut dalam Konstruksi Kayu

8.3.4. Sambungan dengan cincin belah (Split Ring) dan plat geser

Produk alat sambung ini merupakan alat sambung yang memiliki perilaku lebih baik dibanding alat sambung baut. Namun karena pemasangannya agak rumit dan memerlukan peralatan mesin, alat sambung ini jarang diselenggarakan di Indonesia. Produk sambung ini terdiri dari cincin dan dirangkai dengan baut.

Dalam penyambungan, alat ini mengandalkan kuat desak kayu ke arah sejajar maupun arah tegak lurus serat. Seperti halnya alat sambung baut, jenis kayu yang disambung akan memberikan kekuatan yang berbeda.

Produk alat sambung ini memiliki sifat lebih baik dari pada sambungan baut maupun paku. Ini karena alat sambung ini mendistribusikan gaya baik tekan maupun tarik menjadi gaya desak kayu yang lebih merata dinading alat sambung baut dan alat sambung paku.

Gambar Produk alat sambung cincin belah dan cara pemasangannya

Sumber: Forest Products Laboratory USDA, 1999

Gambar Produk alat sambung cincin dan plat geser

Sumber: Forest Products Laboratory USDA, 1999

Gambar Perilaku gaya pada sambungan cincin dan plat geser.

Sumber: Forest Products Laboratory USDA, 1999

Jumlah alat sambung yang dibutuhkan dalam satu sambungan dapat dihitung dengan membagi kekuatan satu alat sambung pada jenis kayu tertentu. Tabel Kekuatan per alat untuk alat sambung Cincin dan plat Geser menampilkan besaran kekuatan per alat sambung terendah untuk pendekatan perhitungan.

8.3.5. Sambungan dengan Plat Logam (Metal Plate Conector)

Alat sambung ini sering disebut sebagai alat sambung rangka batang (truss). Alat sambung ini menjadi populer untuk maksud menyambung struktur batang pada rangka batang, rangka usuk (rafter) atau sambungan batang struktur berupa papan kayu. Plat sambung umumnya berupa plat baja ringan yang digalvanis untuk menahan karat, dengan lebar/luasan tertentu sehingga dapat menahan beban pada kayu tersambung.

Tabel Kekuatan per alat untuk alat sambung Cincin dan plat Geser
Sumber: Forest Products Laboratory USDA, 1999

Gaya Min. Per alat sambung Samb. Plat Tunggal Samb. Plat Ganda Lebar minimum Kayu // serat ⊥ Serat Tipe Alat Sambung Mm(Inch) Mm(Inch) Mm(Inch) N(Lb) N(Lb)

Prinsip alat sambungan ini memindahkan beban melalui gerigi, tonjolan (plug) dan paku yang ada pada plat. Jenis produk ini ditunjukkan pada Gambar Produk alat penyambung sambung plat logam. Untuk pemasangan plat, menanam gerigi dalam kayu tersambung, memerlukan alat penekan hidrolis atau penekan lain yang menghasilkan gaya besar.