Desain Rangka Batang (SISTEM STRUKTUR BANGUNAN)

Desain rangka batang adalah teknik dalam desain struktur untuk membuat rangka atau kerangka yang terbuat dari batang-batang logam atau bahan lain yang keras dan kuat. Rangka batang sering digunakan dalam konstruksi bangunan, jembatan, dan kendaraan. Rangka batang terdiri dari beberapa elemen batang yang dihubungkan dengan sendi atau persambungan, sehingga dapat menahan beban dan gaya yang bekerja pada struktur tersebut.

Desain rangka batang dapat dihitung dan dirancang secara matematis menggunakan prinsip-prinsip mekanika struktur, sehingga struktur yang dihasilkan dapat dianalisis dan diuji ketahanannya terhadap beban dan gaya yang mungkin terjadi. Desain rangka batang juga memungkinkan struktur yang dibuat menjadi lebih ringan dan efisien, karena hanya menggunakan bahan yang diperlukan untuk menahan beban dan gaya yang bekerja pada struktur tersebut. Selain itu, desain rangka batang juga dapat memberikan kesan estetik yang menarik pada struktur yang dibuat.

 

Prinsip – prinsip Umum Rangka Batang

Analisa Rangka Batang

Desain Rangka Batang

 

a. Tujuan

Kriteria yang digunakan untuk merancang juga menjadi sangat bervariasi. Ada beberapa tujuan yang menjadi kriteria dalam desain rangka batang, yaitu:

(1) Efisiensi Struktural

Tujuan efisiensi struktural biasa digunakan dan diwujudkan dalam suatu prosedur desain, yaitu untuk meminimumkan jumlah bahan yang digunakan dalam rangka batang untuk memikul pembebanan pada bentang yang ditentukan. Tinggi rangka batang merupakan variabel penting dalam meminimumkan persyaratan volume material, dan mempengaruhi desain elemennya.

(2) Efisiensi Pelaksanaan (Konstruksi)

Alternatif lain, kriteria desain dapat didasarkan atas tinjauan efisiensi pelaksanaan (konstruksi) sehubungan dengan fabrikasi dan pembuatan rangka batang. Untuk mencapai tujuan ini, hasil yang diperoleh seringkali berupa rangka batang dengan konfigurasi eksternal sederhana, sehingga diperoleh bentuk triangulasi yang sederhana pula. Dengan membuat semua batang identik, maka pembuatan titik hubung menjadi lebih mudah dibandingkan bila batang-batang yang digunakan berbeda.

b. Konfigurasi

Beberapa bentuk konfigurasi eksternal rangka batang yang umum digunakan seperti ditunjukan pada Gambar 4.6. Konfigurasi eksternal selalu berubah-ubah, begitu pula pola internalnya. Konfigurasi-konfigurasi ini dipengaruhi oleh faktor eksternal, tinjauan struktural maupun konstruksi.

Masing-masing konfigurasi mempunyai tujuan yang berbeda. Beberapa hal yang menjadi bahasan penting dalam konfigurasi rangka batang adalah :

(1) Faktor Eksternal

Faktor-faktor eksternal memang bukanlah hal yang utama dalam menentukan konfigurasi rangka batang. Namun faktor eksternal juga dapat mempengaruhi bentuk-bentuk yang terjadi.

(2) Bentuk-bentuk Dasar

Ditinjau dari segi struktural maupun konstruksi, bentuk–bentuk dasar yang digunakan dalam rangka batang merupakan respon terhadap pembebanan yang ada. Gaya-gaya internal akan timbul sebagai respon terhadap momen dan gaya geser eksternal. Momen lentur terbesar pada umumnya terjadi di tengah rangka batang yang ditumpu sederhana yang dibebani merata, dan semakin mengecil ke ujung. Gaya geser eksternal terbesar terjadi di kedua ujung, dan semakin mengecil ke tengah.

(3) Rangka Batang Sejajar

Pada rangka batang dengan batang tepi sejajar, momen eksternal ditahan terutama oleh batang-batang tepi atas dan bawah. Gaya geser eksternal akan dipikul oleh batang diagonal karena batangbatang tepi berarah horisontal dan tidak mempunyai kontribusi dalam menahan gaya arah vertikal. Gaya-gaya pada diagonal umumnya bervariasi mengikuti variasi gaya geser dan pada akhirnya menentukan desain batang.

(4) Rangka Batang Funicular

Rangka batang yang dibentuk secara funicular menunjukan bahwa secara konsep, batang nol dapat dihilangkan hingga terbentuk konfigurasi bukan segitiga, namun tanpa mengubah kemampuanstruktur dalam memikul beban rencana. Batang-batang tertentu yang tersusun di sepanjang garis bentuk funicular untuk pembebanan yang ada merupakan transfer beban eksternal ke tumpuan. Batangbatang lain adalah batang nol yang terutama berfungsi sebagai bracing. Tinggi relatif pada struktur ini merupakan fungsi beban dan lokasinya.

Gambar 6. Jenis-jenis Umum Rangka Batang
Sumber: Schodek, 1999

c. Tinggi Rangka Batang

Penentuan tinggi optimum yang meminimumkan volume total rangka batang umumnya dilakukan dengan proses optimasi. Proses optimasi ini membuktikan bahwa rangka batang yang relatif tinggi terhadap bentangannya merupakan bentuk yang efisien dibandingkan dengan rangka batang yang relatif tidak tinggi. Sudut-sudut yang dibentuk oleh batang diagonal dengan garis horisontal pada umumnya berkisar antara 30° – 60° dimana sudut 45° biasanya merupakan sudut ideal.

Berikut ini pedoman sederhana untuk menentukan tinggi rangka batang berdasarkan pengalaman. Pedoman sederhana di bawah ini hanya untuk pedoman awal, bukan digunakan sebagai keputusan akhir dalam desain.

Jenis Rangka Batang Tinggi Rangka batang dengan beban relatif ringan dan berjarak dekat 20 1 dari bentangan Rangka batang kolektor sekunder yang memikul reaksi yang dihasilkan oleh rangka batang lain 10 1 dari bentangan
Rangka batang kolektor primer yang memikul beban sangat besar, misalnya:
rangka batang yang memikul beban kolom dari gedung bertingkat banyak
5 1 4 1 atau dari bentangan

d. Masalah-masalah pada Desain Elemen

Beberapa permasalahan yang umumnya timbul pada desain elemen menyangkut faktor-faktor yang diuraikan berikut ini.

(1) Beban Kritis
Pada rangka batang, setiap batang harus mampu memikul gaya maksimum (kritis) yang mungkin terjadi. Dengan demikian, dapat saja terjadi setiap batang dirancang terhadap kondisi pembebanan yang berbeda-beda.

(2) Desain Elemen, meliputi :
■ Batang Tarik 

tegangan ijin gaya tarik L penampang yang diperlukan=

■ Batang Tekan
Untuk batang tekan, harus diperhitungkan adanya kemungkinan keruntuhan tekuk (buckling) yang dapat terjadi pada batang panjang yang mengalami gaya tekan. Untuk batang tekan panjang, kapasitas pikul-beban berbanding terbalik dengan kuadrat panjang batang. Untuk batang tekan yang relatif pendek, maka tekuk bukan merupakan masalah sehingga luas penampang melintang hanya bergantung langsung pada besar gaya yang terlibat dan teganagan ijin material, dan juga tidak bergantung pada panjang batang tersebut.

(3) Batang Berukuran Konstan dan/atau Tidak Konstan

Bila batang tepi atas dirancang sebagai batang yang menerus dan berpenampang melintang konstan, maka harus dirancang terhadap gaya maksimum yang ada pada seluruh batang tepi atas, sehingga penampang tersebut akan berlebihan dan tidak efisien. Agar efisien, maka penampang konstan yang dipakai dikombinasikan dengan bagian-bagian kecil sebagai tambahan luas penampang yang hanya dipakai pada segmen-segmen yang memerlukan.

(4) Pengaruh Tekuk terhadap Pola

Ketergantungan kapasitas pikul beban suatu batang tekan pada panjangnya serta tujuan desain agar batang tekan tersebut relatif lebih pendek seringkali mempengaruhi pola segitiga yang digunanakan, seperti ditunjukan pada Gambar 7 berikut.

Gambar 7. Tekuk Batang : hubungan dengan pola segitiga
Sumber: Schodek, 1999

Gambar 8. Tekuk lateral pada rangka
Sumber: Schodek, 1999

 

(5) Pengaruh Tekuk Lateral pada desain batang dan susunan batang. Jika rangka berdiri bebas seperti pada Gambar 8, maka ada kemungkinan struktur tersebut akan mengalami tekuk lateral pada seluruh bagian struktur. Untuk mencegah kondisi ini maka struktur rangka batang yang berdiri bebas dapat dihindari. Selain itu penambahan balok transversal pada batang tepi atas dan penggunaan rangka batang ruang juga dapat mencegah tekuk transversal (Gambar 9).

e. Rangka Batang Bidang dan Rangka Batang Ruang

Rangka batang bidang memerlukan material lebih sedikit daripada rangka batang tiga dimensi untuk fungsi yang sama. Dengan demikian, apabila rangka batang digunakan sebagai elemen yang membentang satu arah, sederetan rangka batang bidang akan lebih menguntungkan dibandingkan dengan sederetan rangka batang ruang (tiga dimensi).
Sebaliknya, konfigurasi tiga dimensi seringkali terbukti lebih efisien dibandingkan beberapa rangka batang yang digunakan untuk membentuk sistem dua arah. Rangka batang tiga dimensi juga terbukti lebih efisien bila dibandingkan beberapa rangka batang yang digunakan sebagai rangka berdiri bebas (tanpa balok transversal yang menjadi penghubung antar rangka batang di tepi atas). Hal ini seperti ditunjukan pada Gambar 9.

 

Selengkapnya : Teknik Struktur Bangunan