Klasifikasi dan Bentuk Jembatan

Jembatan merupakan struktur yang melintasi sungai, teluk, atau kondisi-kondisi lain berupa rintangan yang berada lebih rendah, sehingga memungkinkan kendaraan, kereta api maupun pejalan kaki melintas dengan lancar dan aman. Jika jembatan berada di atas jalan lalu lintas biasa maka biasanya dinamakan viaduct. Jembatan dapat dikatakan mempunyai fungsi keseimbangan (balancing) sistem transportasi, karena jembatan akan menjadi pengontrol volume dan berat lalu lintas yang dapat dilayani oleh sistem transportasi. Bila lebar jembatan kurang menampung jumlah jalur yang diperlukan oleh lalu lintas, jembatan akan menghambat laju lalu lintas. Struktur jembatan dapat dibedakan menjadi bagian atas (super struktur) yang terdiri dari deck atau geladak, sistem lantai, dan rangka utama berupa gelagar atau girder, serta bagian bawah (sub struktur) yang terdiri dari pier atau pendukung bagian tengah, kolom, kaki pondasi (footing), tiang pondasi dan abutmen. Super struktur mendukung jarak horisontal di atas permukaan tanah. Tipikal jembatan dapat dilihat pada Gambar 9.1.

Untuk memahami berbagai bentuk struktur jembatan, terlebih dahulu perlu ditinjau tentang klasifikasi jembatan. Klasifikasi jembatan dapat dibagi berdasarkan material super strukturnya, penggunanya, sistem struktur yang digunakan, dan kondisi pendukung. Selain itu juga perlu dipahami desain konseptual jembatan agar dapat menentukan jenis jembatan yang sesuai.

9.1.1. Klasifikasi Jembatan

a) Klasifikasi material superstruktur

Menurut material superstrukturnya jembatan diklasifikasikan atas:

? Jembatan baja

Jembatan yang menggunakan berbagai macam komponen dan sistem struktur baja: deck, girder, rangka batang, pelengkung, penahan dan penggantung kabel.

? Jembatan beton

Jembatan yang beton bertulang dan beton prategang

? Jembatan kayu

Jembatan dengan bahan kayu untuk bentang yang relatif pendek

? Jembatan Metal alloy

Jembatan yang menggunakan bahan metal alloy seperti alluminium alloy dan stainless steel

? Jembatan komposit

Jembatan dengan bahan komposit komposit fiber dan plastik

? Jembatan batu

Jembatan yang terbuat dari bahan batu; di masa lampau batu merupakan bahan yang umum digunakan untuk jembatan pelengkung.

b) Klasifikasi berdasarkan penggunanya

? Jembatan jalan

Jembatan untuk lalu lintas kendaraan bermotor

? Jembatan kereta api

Jembatan untuk lintasan kereta api

? Jembatan kombinasi

Jembatan yang digunakan sebagai lintasan kendaraan bermotor dan kereta api

? Jembatan pejalan kaki

Jembatan yang digunakan untuk lalu lintas pejalan kaki

? Jembatan aquaduct

Jembatan untuk menyangga jaringan perpipaan saluran air

c) Klasifikasi berdasarkan sistem struktur yang digunakan

? jembatan I–Girder.

Gelagar utama terdiri dari plat girder atau rolled-I. Penampang I efektif menahan beban tekuk dan geser.

? Jembatan gelagar kotak (box girder)

Gelagar utama terdiri dari satu atau beberapa balok kotak baja fabrikasi dan dibangun dari beton, sehingga mampu menahan lendutan, geser dan torsi secara efektif.

? Jembatan Balok T (T-Beam)

Sejumlah Balok T dari beton bertulang diletakkan bersebelahan untuk mendukung beban hidup

? Jembatan Gelagar Komposit

Plat lantai beton dihubungkan dengan girder atau gelagar baja yang bekerja sama mendukung beban sebagai satu kesatuan balok. Gelagar baja terutama menahan tarik sedangkan plat beton menahan momen lendutan.

? Jembatan gelagar grillage (grillage girder)

Gelagar utama dihubungkan secara melintang dengan balok lantai membentuk pola grid dan akan menyalurkan beban bersama-sama ? Jembatan Dek Othotropic

Dek terdiri dari plat dek baja dan rusuk/rib pengaku

? Jembatan Rangka Batang (Truss)

Elemen-elemen berbentuk batang disusun dengan pola dasar menerus dalam struktur segitiga kaku. Elemen-elemen tersebut dihubungkan dengan sambungan pada ujungnya. Setiap bagian menahan beban axial juga tekan dan tarik. Gambar 9.2. menunjukkan Jembatan truss Warren dengan elemen vertikal yang disebut ”through bridge”, plat dek diletakkan melintasi bagian bawah jembatan

? Jembatan Pelengkung (arch)

Pelengkung merupakan struktur busur vertikal yang mampu menahan beban tegangan axial

? Jembatan Kabel Tarik (Cable stayed)

Gelagar digantung oleh kabel berkekuatan tinggi dari satu atau lebih menara. Desain ini lebih sesuai untuk jembatan jarak panjang

? Jembatan Gantung

Gelagar digantung oleh penggantung vertikal atau mendekati vertikal yang kemudian digantungkan pada kabel penggantung utama yang melewati menara dari tumpuan satu ke tumpuan lainnya. Beban diteruskan melalui gaya tarik kabel. Desain ini sesuai dengan jembatan dengan bentang yang terpanjang.

d) Klasifikasi berdasarkan kondisi pendukung

Gambar 9.3. menunjukkan tiga perbedaan kondisi pendukung untuk gelagar dan gelagar rangka

? Jembatan dengan pendukung sederhana

Gelagar utama atau rangka batang ditopang oleh roll di satu sisi dan sendi di sisi yang lainnya.

? Jembatan dengan pendukung menerus

Gelagar atau rangka batang didukung menerus oleh lebih dari tiga sendi sehingga menjadi sistem struktur yang tidak tetap. Kecenderungan itu lebih ekonomis karena jumlah sambungan sedikit serta tidak memerlukan perawatan. Penurunan pada pendukung sebaiknya dihindari.

? Jembatan gerber (jembatan kantilever)

Jembatan menerus yang dibuat dengan penempatan sendi di antara pendukung.

? Jembatan rangka kaku

Gelagar terhubung secara kaku pada sub struktur

9.1.2. Desain Konseptual

Desain jembatan merupakan sebuah kombinasi kreasi seni, ilmu alam, dan teknologi. Desain konseptual merupakan langkah awal yang harus di ambil perancang untuk mewujudkan dan menggambarkan jembatan untuk menentukan fungsi dasar dan tampilan, sebelum dianalisa secara teoritis dan membuat detail-detail desain. Proses desain termasuk pertimbangan faktor-faktor penting seperti pemilihan sistem jembatan, material, proporsi, dimensi, pondasi, estetika dan lingkungan sekitarnya. Perencanaan jembatan secara prinsip dimaksudkan untuk mendapatkan fungsi tertentu yang optimal. Proyek jembatan diawali dengan perencanaan kondisi yang mendasar. Untuk mendapatkan tujuan yang spesifik, jembatan memiliki beberapa arah yang berbeda-beda; lurus, miring atau tidak simetris, dan melengkung horisontal seperti terlihat pada Gambar 9.4. Jembatan lurus mudah di rencanakan dan dibangun tetapi memerlukan bentang yang panjang. Jembatan miring atau jembatan lengkung umumnya diperlukan untuk jalan raya jalur cepat (expressway) atau jalan kereta api yang memerlukan garis jalan harus tetap lurus atau melengkung ke atas, sering memerlukan desain yang lebih sulit. Lebar jembatan tergantung pada keperluan lalu lintasnya. Untuk jembatan layang, lebarnya ditentukan oleh lebar jalur lalu lintas dan lebar jalur pejalan kaki, dan seringkali disamakan dengan lebar jalannya.

Estetika – selaras dengan lingkungan

Jembatan harus berfungsi tidak saja sebagai jalan, tetapi struktur dan bentuknya juga harus selaras dan meningkatkan nilai lingkungan sekitarnya. Meskipun terdapat perbedaan pandangan estetika dalam teknik jembatan, Svensson (1998) menyarankan:

? Pilih sistem struktur yang bersih dan sederhana seperti balok, rangka, pelengkung atau struktur gantung; jembatan harus terlihat terpercaya dan stabil;

? Terapkan proporsi tiga dimensional yang indah, antar elemen struktural atau panjang dan ukuran pintu masuk jembatan

? Satukan semua garis pinggir struktur, yang menentukan tampilannya. Kekurangan salah satu bagian tersebut akan dapat menyebabkan kekacauan, kebimbangan dan perasaan ragu-ragu.

Transisi dari bentuk garis lurus ke garis lengkung akan membentuk parabola.

? Perpaduan yang sesuai antara struktur dan lingkungannya akan menjadi lansekap kota. Sangat perlu skala struktur dibandingkan skala lingkungan sekitarnya.

? Pemilihan material akan sangat berpengaruh pada estetika

? Kesederhanaan dan pembatasan pada bentuk struktural asli sangat penting

? Tampilan yang menyenangkan dapat lebih ditingkatkan dengan pemakaian warna

? Ruang di atas jembatan sebaiknya dibentuk menjadi semacam jalan yang dapat berkesan dan membuat pengendara merasa nyaman.

? Strukturnya harus direncanakan sedemikian rupa sehingga aliran gaya dapat diamati dengan jelas

? Pencahayaan yang cukup akan dapat meningkatkan tampilan jembatan pada malam hari.

Gambar 9.5. berikut menunjukkan konsep rancangan jembatan Ruck-a-Chucky melintasi sungai Amerika sekitar 17 km dari bendungan Auburn di California. Anker kabel untuk Lengkung horisontal kabel penahan jembatan sepanjang 396 m direncanakan di sisi bukit. Meskipun jembatan ini tidak pernah dibangun, desain ini sesuai dengan topografi lingkungan sekitarnya, dan merupakan sebuah desain yang sangat memahami lingkungan.

e) Pemilihan Jenis Jembatan

Pemilihan jenis-jenis jembatan merupakan tugas yang kompleks untuk memenuhi keinginan pemilik. Tabel 9.1. menunjukkan format matriks evaluasi yang dapat digunakan untuk memilih jenis-jenis jembatan. Untuk poin yang ada pada tabel tersebut untuk faktor prioritas diberikan penilaian 1 – 5 ( 1 = rendah; 2 = standar; 3 = tinggi; 4 = tinggi sekali; 5 = sangat tinggi). Tingkat kualitas diberikan dalam skala 1 – 5 (1 = kurang; 2 = cukup; 3 = bagus; 4 = sangat bagus; 5 = sempurna). Bobot penilaian berisi perkalian faktor prioritas dengan faktor tingkat kualitas dan dihitung untuk setiap alternatif jenis jembatan. Jembatan dengan jenis yang memiliki total nilai tertinggi akan menjadi alternatif terbaik.

Tipe jembatan umumnya ditentukan oleh berbagai faktor seperti beban yang direncanakan, kondisi geografi sekitar, jalur lintasan dan lebarnya, panjang dan bentang jembatan, estetika, persyaratan ruang di bawah jembatan, transportasi material konstruksi, prosedur pendirian, biaya dan masa pembangunan. Tabel 9.2. berikut menunjukkan aplikasi panjang bentang beberapa tipe jembatan.

9.1.3. Bentuk Struktur Jembatan

Kemajuan pengetahuan dan teknologi di bidang jembatan sejalan dengan kemajuan peradaban manusia. Bentuk jembatan juga berkembang dari jembatan sederhana hingga jembatan kabel, yang penggunaannya akan disesuaikan dengan keperluan atau kebutuhan.

A. Jembatan Sederhana

Pengertian jembatan sederhana adalah ditinjau dari segi konstruksi yang mudah dan sederhana, atau dapat diterjemahkan struktur terbuat dari bahan kayu yang sifatnya darurat atau tetap, dan dapat dikerjakan/dibangun tanpa peralatan modern canggih. Sesederhana apapun struktur dalam perencanaan atau pembuatannya perlu memperhatikan dan mempertimbangkan ilmu gaya (mekanika), beban yang bekerja, kelas jembatan, peraturan teknis dan syarat-syarat kualitas (cheking) Di masa lampau untuk menghubungkan sungai cukup dengan menggunakan bambu, atau kayu gelondongan. Bila dibanding dengan bahan lain seperti baja, beton atau lainnya, bahan kayu merupakan bahan yang potensial dan telah cukup lama dikenal oleh manusia. Pada saat bahan baja dan beton digunakan untuk bahan jembatan, bahan kayu masih memegang fungsi sebagai lantai kendaraan.

Sifat-sifat Jembatan Kayu

Jembatan kayu merupakan jembatan dengan material yang dapat diperbaharui (renewable). Kayu adalah sumber daya alam yang pemanfaatannya akhir-akhir ini lebih banyak pada bidang industri kayu lapis, furnitur, dan dapat dikatakan sangat sedikit pemakaiannya dalam bidang jembatan secara langsung sebagai konstruksi utama. Pemakaian kayu sebagai bahan jembatan mempunyai beberapa keuntungan antara lain:

???? Kayu relatif ringan, biaya transportasi dan konstruksi relatif murah, dan dapat dikerjakan dengan alat yang sederhana

???? Pekerjaan-pekerjaan detail dapat dikerjakan tanpa memerlukan peralatan khusus dan tenaga ahli yang tinggi

???? Jembatan kayu lebih suka menggunakan dek dari kayu sehingga menguntungkan untuk lokasi yang terpencil dan jauh dari lokasi pembuatan beton siap pakai (ready mix concrete). Dek kayu dapat dipasang tanpa bekisting dan tulangan sehingga menghemat biaya

???? Kayu tidak mudah korosi seperti baja atau beton

???? Kayu merupakan bahan yang sangat estetik bila didesain dengan benar dan dipadukan dengan lingkungan sekitar

Dari penjelasan diatas, dapat dikatakan bahwa jembatan kayu untuk konstruksi jembatan berat dengan bentang sangat panjang sudah tidak ekonomis lagi. Jadi jembatan kayu lebih sesuai untuk konstruksi sederhana dengan bentang pendek.

B. Jembatan Gelagar Baja

Baja mempunyai kekuatan, daktilitas, dan kekerasan yang lebih tinggi dibanding bahan lain seperti beton atau kayu, sehingga menjadikannya bahan yang penting untuk struktur jembatan. Pada baja konvensional, terdapat beberapa tipe kualitas baja (high-performance steel/HPS) yang dikembangkan untuk diaplikasikan pada jembatan. HPS mempunyai keseimbangan yang optimal seperti kekuatan, kemampuan di las, kekerasan, daktilitas, ketahanan korosi dan ketahanan bentuk, untuk tampilan maksimum struktur jembatan dengan mempertahankan biaya yang efektif. Perbedaan utama dengan baja konvensional terletak pada peningkatan kemampuan di las dan kekerasan. Aspek yang lain seperti ketahan korosi dan daktilitas, sama. Jembatan gelagar merupakan struktur yang sederhana dan umum digunakan. Terdiri dari slab lantai (floor slab), gelagar (girder), dan penahan (bearing), yang akan mendukung dan menyalurkan beban gravitasi ke sub struktur. Gelagar menahan momen lendut dan gaya geser dengan menggunakan jarak bentang yang pendek. Gelagar baja dibedakan menjadi plat dan gelagar kotak. Gambar 9.6. menunjukkan komposisi struktur plat dan gelagar jembatan serta bagian penyaluran beban.

Pada jembatan gelagar plat, beban hidup didukung oleh langsung oleh slab dan kemudian oleh gelagar utama. Pada jembatan gelagar kotak, pertama kali beban diterima oleh slab, kemudian didukung oleh balok melintang (stringer) dan balok lantai yang terangkai dengan gelagar kotak utama, dan akhirnya diteruskan ke substruktur dan pondasi melalui penahan. Gelagar dibedakan menjadi non komposit dan komposit dilihat dari apakah gelagar baja bekerja sama dengan slab beton (menggunakan sambungan geser) atau tidak. Pilihan penggunaan perlengkapan yang terbuat dari baja dan beton pada gelagar komposit sering merupakan suatu keputusan yang rasional dan ekonomis. Bentuk I non komposit jarang digunakan untuk jembatan bentang pendek non komposit.

Gelagar Datar (Plate ) Non Komposit

Gelagar datar adalah bentuk yang paling ekonomis untuk menahan lentur dan gaya geser serta memiliki momen inersia terbesar untuk berat yang relatif rendah setiap unit panjangnya. Gambar 9.7. menunjukkan sebuah jembatan gelagar datar sepanjang 30 m dan lebar 8,5 m dengan 4 gelagar utama. Beban gravitasi didukung oleh beberapa gelagar datar utama yang terbuat dari hasil pengelasan 3 bagian: sayap atas dan bawah dan penghubung-nya (web). Gambar 9.8. menunjukkan sebuah gelagar datar dan proses pembentukannya. Penghubung dan sayap-sayapnya dibentuk dari potongan plat baja dan dilas. Potongan-potongan dirangkai di pabrik dan kemudian dibawa ke lokasi pembangunan untuk didirikan.

Beberapa faktor penting dalam perencanaan jembatan gelagar :

Pengaku web

Pengaku vertikal dan horisontal (Gambar 9.9) biasanya diperlukan apabila web relatif tipis. Momen lendut menghasilkan gaya tekan dan gaya tarik pada web, dipisahkan oleh aksis netral. Pengaku membujur/horisontal mencegah tekukan web akibat lendutan dengan memberi tekanan pada bagian atas web (setengah bagian ke atas pada gelagar penopang sederhana). Karena momen lendut terbesar berada di dekat pertengahan panjang gelagar pendukung sederhana, pengaku horisontal akan di tempatkan pada bagian ini. Pengaku horisontal tidak disarankan hingga mencapai batas ketahanannya. Pengaku vertikal mencegah tekukan-geser dan memberikan kemampuan tekukan-geser lebih elastis dengan tegangan lapangan. Pengaku horisontal ditempatkan lebih dekat dengan pendukung karena gaya geser terbesar ada pada bagian tersebut. Penahan pengaku juga diperlukan untuk menahan reaksi gaya yang besar, yang akan didesain tersendiri apabila terdapat gaya tegangan yang lain. Apabila web tidak terlalu dalam dan ketebalannya tidak terlalu tipis tidak diperlukan adanya pengaku sehingga biaya produksi bisa dikurangi.

C. Jembatan Gelagar Komposit

Apabila dua buah balok bersusun secara sederhana (tiered beam) seperti yang terlihat pada Gambar 9.10.a, mereka bekerja secara terpisah dan beban geser tergantung pada kekakuan lenturnya. Pada kasus tersebut, gelincir terjadi di sepanjang batas balok. Tetapi jika kedua balok dihubungkan dan gelincir ditahan seperti pada Gambar 9.10.b, mereka bekerja sebagai satu kesatuan gelagar komposit. Untuk jembatan gelagar datar komposit, gelagar baja dan slab beton dihubungkan dengan sambungan geser. Dengan cara ini, slab beton akan menyatu dengan gelagar dan menjadi komponen tekan dari momen lendutan pada saat gelagar datar baja mendapat gaya tarik. Gelagar komposit lebih efektif dibandingkan dengan gelagar bertingkat sederhana. Gambar 9.11. menunjukkan perbedaan antara balok tier dan balok komposit. Penampang keduanya sama dan mendapat pembebanan terpusat pada tengahnya. Momen inersia balok komposit 4 kali lebih besar daripada balok tier, sehingga defleksi yang terjadi hanya ¼ nya. Tekanan lendut maksimum di permukaan (atas atau bawah) hanya ½ dari konfigurasi balok tier.

Distribusi tekanan yang sesuai ditunjukkan pada gambar berikut. Poin ’S’ dan ’V’ merupakan pusat profil baja dan penampang komposit. Menurut teori, distribusi tegangan adalah linier tetapi distribusi tekanan berubah pada batas antara baja dan beton.

Tiga tipe sambungan geser, studs, horse shoes dan blok baja ditunjukkan pada Gambar 9.12. Studs lebih umum digunakan karena lebih mudah dilas ke sayap tegangan dengan menggunakan pengelasan elektrik, tetapi sulit dalam pemeriksaannya. Jika pengelasan pada stud kurang, stud dapat bergeser dan menyebabkan kerusakan. Tipe yang lain menjadi pertimbangan karena lebih mudah pemeliharaannya. Sambungan geser diletakkan mendekati akhir bentang dimana terjadi gaya geser terbesar.

Gelagar Kisi-Kisi (grillage girder)

Jika gelagar diletakkan berbaris dan dihubungkan melintang dengan balok lantai, beban truk didistribusikan oleh balok lantai ke gelagar. Sistem ini disebut gelagar kisi-kisi (grillage girder). Jika gelagar utama berupa gelagar datar, harus dipertimbangkan tidak adanya kekakuan dalam puntir. Di sisi lain, gelagar kotak dan gelagar beton dapat dianalisa dengan asumsi terdapat kekakuan untuk menahan puntir. Balok lantai meningkatkan kemampuan menahan puntir di seluruh sistem struktur jembatan. Gambar 9.13. menunjukkan distribusi beban dalam sistem kisi-kisi. Kisi-kisi mempunyai tiga gelagar dengan satu balok lantai di pertengahan bentangnya. Dalam hal ini, terdapat 3 nodal/titik pada perpotongan gelagar dan balok lantai tetapi hanya ada 2 persamaan ( V = 0 dan M = 0). Jika perpotongan antara gelagar utama B dan balok lantai diputuskan, dan diterapkan sepasang kekuatan tak tentu ’X’ di titik ’b’ seperti pada gambar, X dapat diperoleh dengan menggunakan kondisi yang sesuai di titik ’b’. Bila kekuatan ’X’ didapatkan, kekuatan setiap bagian gelagar dapat dihitung. Sistem struktur tersebut dapat diaplikasikan pada desain praktis jembatan gelagar datar.

Gelagar Plat dengan Jarak Luas (Widely Spaced Plate Girder)

Sebuah konsep desain jembatan baja dikembangkan dengan meminimalkan jumlah gelagar dan bagian-bagian fabrikasi, sehingga dapat mengurangi nilai konstruksinya. Jarak antar gelagar dibuat lebar dan pengaku lateral diabaikan. Contoh Gambar 9.14. berikut menunjukkan jembatan yang hanya mempunyai dua gelagar dengan jarak 5.7 m dan ketebalan geladak slab beton pratekan 320 mm.

Gelagar Kotak (box girder)

Jembatan gelagar kotak tersusun dari gelagar longitudinal dengan slab di atas dan di bawah yang berbentuk rongga (hollow) atau gelagar kotak. Tipe gelagar ini digunakan untuk jembatan bentang panjang. Bentang sederhana sepanjang 40 ft (+ 12 m) menggunakan tipe ini, tetapi bentang gelagar kotak beton bertulang lebih ekonomis pada bentang antara 60 – 100 ft (+ 18 – 30 m) dan biasanya didesain sebagai struktur menerus di atas pilar. Gelagar kotak beton prategang dalam desain biasanya lebih menguntungkan untuk bentang menerus dengan panjang bentang + 300 ft (+ 100 m). Keutamaan gelagar kotak adalah pada tahanan terhadap beban torsi.

Pada kondisi lapangan dimana tinggi struktur tidak terlalu dibatasi, penggunaan gelagar kotak dan balok T kurang lebih mempunyai nilai yang sama pada bentang 80 ft (+ 25 m). Untuk bentang yang lebih pendek, tipe balok T biasanya lebih murah, dan untuk bentang yang lebih panjang, lebih sesuai menggunakan gelagar kotak. Bentuk struktur gelagar kotak diperlihatkan pada Gambar 9.15. Gelagar kotak merupakan bagian tertutup sehingga mempunyai ketahanan puntir yang tinggi tanpa kehilangan kekuatan menahan lendut dan geser. Selain itu, gelagar datar merupakan bagian terbuka yang secara efektif menahan lendut dan geser. Ortotropik dek, plat baja dengan pengaku membujur dan melintang sering digunakan untuk geladak pada gelagar kotak atau struktur dinding tipis pada slab beton untuk jembatan bentang panjang.

Puntiran ditahan dalam dua bagian, yaitu puntir murni dan puntir tersembunyi. Ketahanan puntir murni untuk gelagar profil I bisa diabaikan. Untuk bagian tertutup seperti gelagar kotak, puntir murni harus dipertimbangkan, sesuai untuk jembatan lengkung atau jembatan bentang panjang. Di sisi lain, puntir tersembunyi untuk bagian kotak bisa diabaikan. Gelagar profil I mempunyai ketahanan tersembunyi tetapi tidak sebesar puntir murni pada bagian tertutup.

D. Jembatan beton bertulang

Gambar 9.16. menunjukkan jenis bagian beton bertulang yang biasa digunakan pada superstruktur jembatan jalan raya.

Slab

Slab beton bertulang merupakan supersturktur jembatan yang paling ekonomis untuk bentang sekitar 40 ft / 12.2 m. Slab mempunyai detail yang sederhana, formwork standar, rapi, sederhana, dan tampilan menarik. Umumnya bentang berkisar antara 16 -44 ft (4.9 – 13.4 m) dengan perbandingan ketebalan dan bentang struktur 0.06 untuk bentang sederhana dan 0.045 untuk bentang menerus.

Balok T ( gelagar dek)

Balok T seperti yang terlihat pada Gambar 9.16.b, ekonomis untuk bentang 40 – 60 ft (12.2 – 18.3 m) tetapi untuk jembatan miring memerlukan formwork yang rumit. Perbandingan tebal dan bentang struktur adalah 0.07 untuk bentang sederhana dan 0.065 untuk bentang menerus. Jarak antar gelagar pada jembatan balok-T tergantung pada lebar jembatan secara keseluruhan, ketebalan slab, dan biaya formwork sekitar 1.5 kali ketebalan struktur. Jarak yang umum digunakan antara 6 – 10 ft ( 1.8 – 3.1 m).

Gelagar kotak cast-in-place

Gelagar kotak seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9.16.c. sering digunakan untuk bentang 50 – 120 ft (15.2 – 36.6 m). Formwork untuk struktur miring lebih sederhana daripada untuk balok-T. Terkait dengan pembelokan akibat beban mati, penggunaan gelagar sederhana beton bertulang melebihi bentang 100 ft (30.5 m) atau lebih menjadi tidak ekonomis. Perbandingan tebal dan bentang struktur umumnya 0.06 untuk bentang sederhana dan 0.55 untuk bentang menerus dengan ruang gelagar 1.5 kali ketebalan struktur. Ketahanan puntir gelagar kotak yang besar membuat gelagar tersebut dapat digunakan untuk bentuk lengkung seperti lereng pada jalan. Garis lengkung yang lembut menjadi hal yang menarik pada kota metropolitan.

E. Jembatan Beton Prestress / pratekan

Beton pratekan dengan bahan berkekuatan tinggi merupakan alternatif menarik untuk jembatan bentang panjang. Bahan ini dipergunakan secara luas pada struktur jembatan sejak tahun 1950-an.

Slab

Gambar 9.17. menunjukkan standar tipe-tipe slab precast beton pratekan. Jika slab cast-in-place pratekan lebih mahal dari pada slab beton bertulang, slab precast beton pratekan lebih ekonomis apabila digunakan untuk beberapa bentang. Umumnya bentangan berkisar antara 20 – 50 ft (6.1 – 15.2 m). Perbandingan tebal dan bentangnya 0.03 baik untuk bentang sederhana maupun menerus.

Gelagar I – precast

Gambar-gambar 9.18; 9.19; dan 9.20. menunjukkan standar tipe-tipe balok-I, gelagar-I, dan Gelagar Bulb-Tee. Bersaing dengan gelagar baja, umumnya lebih mahal dibanding beton bertulang dengan perbandingan tebal dan bentang yang sama. Formwork lebih rumit, terutama untuk struktur miring. Bagian ini dapat diaplikasikan untuk bentang 30-120 ft (9.1 – 36.6 m). Perbandingan tebal dan bentang struktur adalah 0.055 untuk bentang sederhana dan 0.05 untuk bentang menerus.

Gelagar Kotak

Gambar 9.21. menunjukkan standar tipe kotak precast dan Gambar 9.22. menunjukkan standar precast gelagar ’bathtub’. Dalam bentuk cast-inplace gelagar kotak beton pratekan serupa dengan gelagar kotak beton bertulang konvensional. Untuk bentang struktur 100 – 600 ft (30.5 – 182.9 m) jarak antar gelagar umumnya menggunakan dua kali lipat dari tebal struktur. Perbandingan tebal dan bentang struktur 0.045 untuk bentang sederhana dan 0.04 untk bentang menerus. Bagian ini sering digunakan untuk bentang sederhana lebih dari 100 ft (30.5 m) dan sesuai untuk memperlebar kontrol defleksi. Sekitar 70 – 80 % sistem jembatan jalan raya di California terdiri dari jembatan gelagar kotak beton pratekan.

Segmental Jembatan Beton

Pembangunan jembatan beton yang terbagi menjadi beberapa segmen sukses dikembangkan dengan konsep kombinasi pratekan, gelagar kotak, dan konstruksi kantilever. Jembatan gelagar kotak dengan segmen pratekan telah dibangun pertama kali di Eropa Barat pada 1950. Jembatan California’s Pine Valley seperti yang ditunjukkan gambar 9.23. terdiri 3 bentangan 340 ft (103.6 m), 450 ft (137.2 m), dan 380 ft (115.8 m) dengan pier setinggi 340 ft (103.6), merupakan jembatan cast-in-place segmental pertama yang dibangun di Amerika Serikat tahun 1974. Jembatan pratekan segmental dengan segmen pratekan atau cast-in-place dapat diklasifikasikan menurut metode konstruksi menjadi: (1) kantilever penyeimbang, (2) bentang per bentang, (3) pengadaan incremental, dan (4) pentahapan. Pemilihan antara segmen cast-in-place, pratekan atau berbagai metode konstruksi yang lain tergantung pada jenis proyek, kondisi lapangan,batasan lingkungan dan publik, waktu pelaksanaan konstruksi, dan ketersediaan alat.

F. Jembatan jaringan baja bergelombang / corrugated stell web bridge

Jembatan jaringan baja bergelombang digunakan dalam beton pratekan untuk mengurangi berat dan meningkatkan panjang bentang. Jaringan bergelombang mempunyai kelebihan tidak mengurangi kekuatan axial dengan efek akordion, sehingga kekuatan pratekan di dalam beton menjadi lebih efektif. Sebagai contoh dapat dilihat pada Gambar 9.24.

G. Jembatan Rangka Batang (Truss Bridge)

Struktur jembatan rangka batang ditunjukkan pada Gambar 9.25. yang menunjukkan jembatan dengan geladak yang berada pada level terendah dari penghubung antar bagiannya. Slab menahan beban hidup didukung oleh sistem balok lantai dan balok silang. Beban disalurkan ke

rangka batang utama pada titik sambungan pada setiap sisi jembatan, hingga pada sistem lantai dan akhirnya pada penahan. Penguat lateral, yang juga berbentuk rangka batang, mengkaitkan bagian atas dan bawah penghubung untuk menahan kekuatan horisontal seperti angin dan beban gempa seperti momen torsi/puntir. Rangka portal pada pintu masuk merupakan transisi kekuatan horisontal dari bagian atas ke bagian substruktur. Jembatan rangka batang dapat mengambil bentuk geladak jembatan yang melintasi jembatan. Pada contoh ini, slab beton menjulang ke atas, dan pengikat/penahan goyangan diletakkan di antara elemen vertikal dari dua rangka utama untuk menahan stabilitas lateral.

Rangka baja terdiri atas bagian atas dan bagian rendah yang dihubungkan oleh elemen diagonal dan vertikal (elemen web). Rangka tersebut akan bertindak sesuai dengan gaya balok di atas dan bawah rangkaian seperti sayap dan pengikat diagonal akan bertindak yang sama sebagai plat web. Rangkaian terutama akan menahan momen tekuk sedangkan elemen web akan menahan gaya geser. Rangka batang merupakan rangkaian batang-batang, juga bukan merupakan plat atau lembaran, sehingga merupakan alternatif termudah untuk didirikan di lokasi dan sering digunakan untuk jembatan yang panjang

Pada gambar 9.26. ditunjukkan beberapa tipe rangka batang. Warren truss merupakan tipe yang paling umum dan rangka tersebut terbentuk dari segitiga samakaki yang dapat menahan gaya tekan dan gaya tarik. Elemen web Pratt truss berupa elemen vertikal dan diagonal. Elemen diagonal mengarah ke pusat dan hanya untuk menahan gaya tarik. Pratt truss sesuai untuk jembatan baja karena kemampuan menahan gaya tariknya sangat efektif. Elemen vertikal Pratt truss mendapat gaya tekan. Howe truss hampir sama dengan Pratt hanya elemen diagonalnya mengarah ke bagian akhir, menahan gaya tekan axial, dan elemen vertikal menahan gaya tarik.

Jembatan kayu sering menggunakan Howe truss karena pada sambungan diagonal kayu lebih banyak mendapat gaya tekan. Dinamakan K-truss karena elemen web yang berbentuk ”K” paling ekonomis pada jembatan besar karena panjang elemen yang pendek akan mengurangi resiko tekuk.

Analisa struktural dan tekanan sekunder

Truss adalah sebuah bentuk struktur batang, secara teoritis dihubungkan dengan engsel membentuk segitiga yang stabil. Rangka batang terbentuk dari unit berbentuk segitiga agar stabil. Elemen-elemen diasumsikan hanya untuk menahan regangan atau gaya tekan axial. Secara statika rangka batang dapat dianalisa hanya dengan menggunakan persamaan keseimbangan. Jika kurang dari stabilitas yang disyaratkan, maka tidak dapat ditentukan hanya dengan persamaan keseimbangan saja. Ketidaksesuaian penempatan harus diperhatikan. Ketidaktetapan internal maupun eksternal rangka batang sebaiknya diselesaikan dengan menggunakan perangkat lunak/program komputer.

Dalam prakteknya, elemen-elemen truss dihubungkan ke plat sambung dengan menggunakan baut berkemampuan tinggi (lihat gambar 9.27), bukan engsel rotation-free, sederhana karena lebih mudah di rangkai. Kondisi ’jepit’ seperti teori tidak terlihat pada bidang tersebut. Ketidaksesuaian tersebut menyebabkan tegangan sekunder (tegangan tekung) pada elemen-elemen tersebut. Tegangan sekunder didapatkan dengan analisa struktural rangka kaku dan biasanya kurang dari 20% tegangan utama axial. Jika elemen rangka batang sudah direncanakan dengan baik, angka kelangsingan batang cukup besar dan tidak ada tekuk, maka tegangan sekunder dapat diabaikan.

H. Jembatan Rangka Kaku (Rigid Frame) / Jembatan Rahmen

Elemen-elemen dihubungkan secara kaku dalam struktur ’rahmen’ atau rangka kaku. Tidak seperti truss dan jembatan lengkung yang akan dibicarakan pada bagian lain, seluruh elemen akan menerima baik gaya axial maupun momen tekuk. Gambar 9.28. berikut ini menunjukkan berbagai tipe jembatan rahmen. Elemen jembatan rangka kaku lebih besar dari pada sebuah tipe bangunan. Konsekuensinya pemusatan tekanan terjadi di sambungan balok dan kolom sehingga harus direncanakan dengan tepat. Pendukung jembatan rahmen, engsel atau jepit, menjadikannya struktur yang tak tentu, sehingga tidak sesuai pada kondisi pondasi yang terbenam. Reaksi pendukung berupa kemampunan horisontal dan vertikal pada engsel dan dengan penambahan momen tekuk pada tumpuan jepit.

Rangka Portal

Rangka portal adalah desain sederhana dan bisa dipergunakan secara luas untuk pier atau pendukung jembatan jalan raya yang diangkat karena ruang di bawahnya dapat digunakan secara efektif untuk jalan yang lain atau area parkir. Pendukung ini, telah dibuktikan penggunaannya padagempa bumi Kobe di jepang tahun 1995, lebih ulet sehingga akan lebih kuat dan mampu menyerap energi lebih banyak dari pada pier kolom tunggal.

? – Rahmen

Desain ? – Rahmen biasanya digunakan untuk jembatan di daerahpegunungan dengan struktur pondasinya yang kuatdan kokoh sehingga dapat melintasi lembah dengan bentang yang relatif panjang. Selain itu dapat juga untuk jembatan yang melintasi jalan raya jalur cepat. Seperti yang ditunjukkan pada model struktur ? – Rahmen gambar 9.29. Adanya dua lengan pendukung gelagar utama menyebabkan tegangan axial pada pusat panjang gelagar. Beban hidup pada geladak disalurkan pada gelagar utama melalui sistem lantai. Engsel tengah mungkin dimasukkan pada gelagar untuk membentuk gelagar gerber. Jembatan model A-V leg rahmen sama dengan jembatan ? – Rahmen tetapi memungkinkan bentang yang lebih panjang tanpa gaya axial di pusat bentang gelagar.

Jembatan Vierendeel

Jembatan vierendeel merupakan rangka kaku dimana bagian atas dan bawah rangkaian dihubungkan secara kaku ke elemen vertikal. Seluruh elemen diarahkan ke arah axial dan gaya geser seperti momen lentur. Kondisi ini merupakan sistem internal yang sangat tidak tentu. Analisa rangka vierendeel harus mempertimbangkan tegangan sekunder. Bentuk jembatan ini lebih kaku daripada jembatan lengkung Langer atau Lohse yang hanya mempunyai elemen penahan gaya axial.

I. Jembatan Pelengkung (Arch Bridge)

Bingkai atau rusuk pelengkung seperti balok lingkar yang tidak hanya vertikal tetapi juga horisontal pada kedua ujungnya, dan akan mendukung reaksi vertikal dan horisontal. Gaya horisontal akan menyebabkan tegangan axial yang akan menambah momen tekuk pada rusuk lengkung. Momen tekuk akan menyebabkan keseimbangan gaya horisontal dengan beban gravitasi. Dibandingkan dengan gaya axial, akibat momen tekuk biasanya kecil. Hal itulah yang menyebabkan mengapa lengkung sering dibuat dari bahan yang mampu menahan gaya tekan tinggi seperti beton, batu, atau batu bata.

Tipe Pelengkung

Jembatan lengkung meliputi geladak jalan dan lengkung pendukung. Berbagai tipe pelengkung diperlihatkan pada Gambar 9.30. Garis tebal menunjukkan elemen penahan momen tekuk, geser dan gaya axial. Sedangkan garis tipis menunjukkan elemen yang hanya menerima gaya axial. Jembatan pelengkung dikelompokkan ke dalam geladak, dan tipe geladak tergantung lokasi permukaan jalan. Geladak pada semua tipe jembatan digantung oleh kolom vertikal maupun pelengkung penggantung, secara struktural sama dengan gaya axial, baik gaya tekan maupun gaya tarik pada elemen-elemennya. Perbedaannya terletak pada elemen vertikal geladak jembatan menahan gaya tekan dan penggantung menahan gaya tarik. Beban hidup hanya membebani pelengkung secara tidak langsung. Tipe struktur dasar pelengkung adalah pelengkung 2 sendi/engsel. Pelengkung 2 sendi mempunyai satu derajat tingkat ketidakpastian eksternal karena terdapat 4 reaksi akhir. Jika satu sendi ditambahkan pada mahkota pelengkung, membentuk pelengkung 3 sendi, hal ini akan menjadikan lebih pasti/kokoh. Jika akhiran diklem, menjadi pelengkung jepit/kaku, maka akan mejadi ketidakpastian tingkat ketiga. Pelengkung dibentuk oleh dua sendi dengan pengikat dan pendukung sederhana. Pelengkung yang diikat, secara eksternal dalam kondisi mantap, tetapi secara internal dalam kondisi satu derajat tingkat ketidakpastian. Struktur lantai tergantung pada pelengkung dan terpisah dari pengikat.

Jembatan Langer

Pelengkung Langer dianalisa dengan asumsi bahwa rusuk pelengkung hanya menahan gaya tekan axial. Rusuk pelengkung tipis, tetapi gelagar tebal dan mampu menahan momen dan geser sebaik gaya tarik axial. Gelagar jembatan langer dianggap sebagai rusuk pelengkung yang diperkuat. Gambar 9.31, menunjukkan komponen struktural jembatan Langer.

Jika diagonal digunakan pada web, disebut Langer truss. Perbedaan Langer truss dengan truss standar bahwa pada rangkaian bawah berupa gelagar sebagai pengganti batang. Jembatan Langer mantap sebagai eksternal dan tidak pasti secara internal. Jembatan Langer tipe geladak sering disebut ”reversed” / kebalikan Langer.

Jembatan Lohse

Jembatan Lohse hampir sama dengan jembatan Langer, hanya saja jembatan Lohse lebih mampu menahan lentur di rusuk pelengkung seperti halnya gelagar. Dengan asumsi tersebut, jembatan Lohse lebih kaku daripada jembatan Langer. Distribusi momen lentur pada rusuk pelengkung dan gelagar tergantung pada rasio kekakuan dua elemen yang ditetapkan perancang. Jembatan pelengkung Lohse dapat dianggap sebagai balok terikat yang dihubungkan dengan elemen vertikal. Elemen vertikal diasumsikan hanya menahan gaya axial. Secara estetika Lohse lebih mengagumkan dibanding Langer dan lebih sesuai untuk daerah perkotaan sedangkan Langer untuk daerah pegunungan.

Jembatan Pelengkung Truss dan Pelengkung Nielsen

Umumnya elemen diagonal tidak digunakan pada jembatan pelengkung karena akan mempersulit analisa struktural. Bagaimanapun, kemajuan teknologi komputer mengubah pandangan tersebut. Tipe baru jembatan pelengkung, seperti pelengkung truss yang menggunakan batang diagonal truss pada elemen vertikal atau desain Nielsen Lohse yang menggunakan batang tarik sebagai diagonal. Elemen web diagonal meningkatkan kekakuan pada jembatan melebihi elemen vertikal. Seluruh elemen jembatan truss hanya menahan gaya axial. Di lain pihak, jembatan truss pelengkung menahan lentur dengan rusuk lengkung, gelagar, atau keduanya. Karena diagonal jembatan Nielsen Lohse hanya menahan gaya tarik axial, mereka mendapat tekanan sebelumnya oleh beban mati untuk mengimbangi gaya tekan oleh beban hidup.

J. Bentuk Struktur Jembatan yang Lain

Bentuk struktur jembatan lain yang dikenal adalah jembatan kabel. Jembatan kabel pendukung atau jembatan kabel penggantung digambarkan sebagai jembatan dengan geladak yang didukung oleh kabel fleksibel. Pada prinsipnya jembatan tersebut diklasifikasikan menjadi tipe gantung dimana geladak jembatan didukung menerus oleh kabel catenary yang direntangkan, tipe cable-stayed (tarik) dimana geladak terpisah dan digantung langsung dengan kabel penarik (stay), dan tipe kombinasi keduanya. Struktur gantung dan tarik dapat diaplikasikan untuk atap dan bangunan.

Meskipun beban mekanisme penahan berbeda, jembatan gantung dan jembatan cable-stay (tarik) secara umum dapat digambarkan sebagai berikut:

? Terdiri dari kabel, geladak jembatan dengan gelagar solid-web atau rangka batang, dan menara.

? Menguntungkan untuk bentang panjang karena kabel terpusat hanya untuk tarik. Kawat (wire) baja terdiri dari kabel berkekuatan tarik yang sangat tinggi, meskipun lebih ekonomis untuk penggunaan pada jembatan pejalan kaki dengan bentang pendek hingga medium.

? Keseluruhan struktur lebih fleksibel dibandingkan dengan struktur lain pada bentang yang sepadan.

? Struktur yang lengkap dapat didirikan tanpa penyangga lanjutan dari tanah.

? Struktur utamanya rapi dan menunjukkan fungsinya dengan tampilan transparan.

Jembatan Gantung

Komponen jembatan gantung (Gambar 9.32) berupa

? Kabel utama yang menggantung gelagar jembatan

? Menara utama mendukung kabel utama. Kadang-kadang subtower yang lebih rendah diletakkan di antara menara utama dan kabel pengangker untuk mengarahkan kabel menuju pengangkeran.

? Gelagar pengaku, baik gelagar solid-web maupun truss, akan disatukan dengan geladak jembatan

? Penggantung (hanger atau suspender) akan menghubungkan geladak jembatan dengan kabel utama

? Pengangkeran, merupakan angker kabel utama. Biasanya berupa blok beton masif tempat bingkai angker ditanam.

Sistem struktur jembatan gantung dapat diklasifikasikan berdasarkan faktor:

? Jumlah bentang

Jembatan gantung mungkin berupa bentang tunggal, bentang dua, bentang tiga, atau bentang banyak (Gambar 9.33). Jumlah menara utama satu untuk bentang dua, dua untuk bentang tunggal dan bentang tiga, dan lebih dari dua untuk bentang banyak. Jembatan gantung bentang dua jarang digunakan karena kurang efisien. Jembatan gantung bentang tunggal mempunyai backstays lurus. Jembatan gantung bentang tiga yang paling umum dipakai terutama untuk jembatan bentang panjang dengan perbandingan bentang samping

– bentang utama 0.2 – 0.5. Meskipun jembatan gantung bentang banyak jarang digunakan karena fleksibilitasnya besar, dapat diterapkan untuk dipelajari melintasi selat di masa mendatang. Perhatian utama untuk jembatan gantung bentang banyak adalah perencanaan menara antara dan kabel pendiriannya.

? Urutan pengakuan gelagar.

Pengakuan gelagar secara sederhana didukung pada setiap bentang atau menerus melewati dua atau lebih bentang. Bentuk itu disebut dua sendi dan umumnya digunakan untuk jembatan jalan. Meskipun gelagar menerus dengan pendukung antara tidak ekonomis, hal itu menguntungkan untuk jembatan rel untuk meningkatkan kelancaran kereta api.

? Pengaturan gantungan

Gantungan ada yang vertikal maupun horisontal. Bahkan kini stuktur gantung dibuat seperti rangka batang yang disatukan dengan kabel utama dan geladak jembatan.

? Metode pengangkeran kabel

Kabel utama jembatan gantung diangkerkan kepada blok angker atau diangkerkan sendiri ke gelagar pengaku.

Jembatan Kabel Tarik (Cable-Stayed Bridge)

Kemungkinan desain jembatan kabel tarik (Gambar 9.34) sangat banyak karena banyaknya variasi alternatif untuk konfigurasi, sistem struktur, dan kekakuan relatif dari setiap elemen. Hal itulah yang menyebabkan mengapa jembatan kabel tarik dapat diaplikasikan bukan hanya untuk jembatan yang sangat panjang tetapi juga bisa untuk jembatan pejalan kaki berbentang pendek. Berlawanan dengan jembatan gantung, jembatan kabel tarik merupakan sistem struktur tertutup, dengan kata lain lebih ke arah sistem self-anchored. Karena jembatan kabel tarik dapat dibangun tanpa blok angker yang besar dan penyangga temporer, akan sangat menguntungkan diterapkan pada daerah di mana kondisi lahan tidak terlalu baik. Jika dibandingkan dengan jembatan gantung, jembatan kabel tarik lebih kaku karena kabel lurus hingga mendekati batas panjang bentang yang mungkin lebih panjang dari sebelumnya. Meskipun struktur bentang tiga paling umum digunakan, tetapi struktur dengan bentang dua bisa diterapkan dalam jembatan kabel tarik. Apabila sisi bentang sangat pendek, semua atau beberapa kabel tarik diangkerkan ke tanah. Angker tanah jembatan kabel menyebabkan seluruh struktur menjadi kaku dan lebih menguntungkan perencanaan jembatan kabel tarik yang sangat panjang.

Sumber :

Ariestadi, Dian, 2008, Teknik Struktur Bangunan Jilid 2 untuk SMK, Jakarta : Pusat Perbukuan Departemen Pendidikan Nasional, h. 429 – 462.

Sistem Struktur pada Bangunan Gedung Bertingkat

2.2.1. Pengantar Aplikasi Sistem Struktur pada Bangunan

Sistem struktur pada bangunan gedung secara garis besar menggunakan beberapa sistem utama

a) Struktur Rangka atau Skeleton

Struktur kerangka atau skeleton terdiri atas komposisi dari kolomkolom dan balok-balok. Kolom sebagai unsur vertikal berfungsi sebagai penyalur beban dan gaya menuju tanah, sedangkan balok adalah unsur horisontal yang berfungsi sebagai pemegang dan media pembagian beban dan gaya ke kolom. Kedua unsur ini harus tahan terhadap tekuk dan lentur.

Selanjutnya dilengkapi dengan sistem lantai, dinding, dan komponen lain untuk melengkapi kebutuhan bangunan untuk pembentuk ruang. Sistem dan komponen tersebut diletakkan dan ditempelkan pada kedua elemen rangka bangunan. Dapat dikatakan bahwa elemen yang menempel pada rangka bukanlah elemen struktural (elemen non-struktural). Bahan yang umumnya dipakai pada sistem struktur rangka adalah kayu, baja, beton (Gambar 4.19) termasuk beton pra-cetak . Semua bahan tersebut harus tahan terhadap gaya-gaya tarik, tekan, puntir dan lentur. Saat ini bahan yang paling banyak digunakan adalah baja dan beton bertulang

karena mampu menahan gaya-gaya tersebut dalam skala yang besar. Untuk bahan pengisi non-strukturalnya dapat digunakan bahan yang ringan dan tidak mempunyai daya dukung yang besar, seperti susunan bata, dinding kayu, kaca dan lainnya.

Sistem rangka yang dibentuk dengan elemen vertikal dan horisontal baik garis atau bidang, akan membentuk pola satuan ukuran yang disebut grid (Gambar4.20). Grid berarti kisi-kisi yang bersilangan tegak lurus satu dengan lainnya membentuk pola yang teratur. Berdasarkan pola yang dibentuk serta arah penyaluran pembebanan atau gayanya, maka sistem rangka umumnya terdiri atas dua macam yaitu: sistem rangka dengan bentang satu arah (one way spanning) dan bentang dua arah (two way spanning). Bentuk grid persegi panjang menggunakan sistem bentang satu arah, dengan penyaluran gaya ke arah bentang yang pendek. Sedangkan untuk pola grid yang cenderung bujursangkar maka penyaluran gaya terjadi ke arah kedua sisinya, maka sistem struktur yang digunakan adalah sistem bentang dua arah. Aksi struktur dua arah dapat diperoleh jika perbandingan dimensi bentang panjang dengan bentang pendek lebih kecil dari 1,5.

Sistem struktur rangka banyak berkembang untuk aplikasi pada bangunan tinggi (multi-storey structure) dan bangunan dengan bentang lebar (long-span structure)

b) Struktur Rangka Ruang

Sistem rangka ruang dikembangkan dari sistem struktur rangka batang dengan penambahan rangka batang kearah tiga dimensinya (gambar 4.21). Struktur rangka ruang adalah komposisi dari batang-batang yang masing-masing berdiri sendiri, memikul gaya tekan atau gaya tarik yang sentris dan dikaitkan satu sama lain dengan sistem tiga dimensi atau ruang. Bentuk rangka ruang dikembangkan dari pola grid dua lapis (doubel-layer grids), dengan batang-batang yang menghubungkan titik-titik grid secara tiga dimensional.

Elemen dasar pembentuk struktur rangka ini adalah:

? Rangka batang bidang

? Piramid dengan dasar segiempat membentuk oktahedron

? Piramid dengan dasar segitiga membentuk tetrahedron (Gambar 4,22)

Beberapa sistem selanjutnya dikembangkan model rangka ruang berdasarkan pengembangan sistem konstruksi sambungannya (Gambar 4.23), antara lain:

? Sistem Mero

? Sistem space deek

? Sistem Triodetic

? Sistem Unistrut

? Sistem Oktaplatte

? Sistem Unibat

? Sistem Nodus

? Sistem NS Space Truss

c) Struktur Permukaan Bidang

Struktur permukaan bidang termasuk juga struktur form-active biasanya digunakan pada keadaan khusus dengan persyaratan struktur dengan tingkat efisiensi yang tinggi. Struktur-struktur permukaan bidang pada umumnya menggunakan material-material khusus yang dapat mempunyai kekuatan yang lebih tinggi dengan ketebalan yang minimum. Beberapa jenis struktur ini antara lain:

???? Struktur bidang lipat

Struktur bidang lipat dibentuk melalui lipatan-lipatan bidang datar dengan kekakuan dan kekuatan yang terletak pada keseluruhan bentuk itu sendiri. Bentuk lipatan akan mempunyai kekakuan yang lebih karena momen inersia yang lebih besar, karena bentuk lipatan akan memiliki ketinggian yang jauh lebih besar dibandingkan dengan plat datar.

???? Struktur cangkang

Struktur cangkang adalah sistem dengan pelat melengkung ke satu arah atau lebih yang tebalnya jauh lebih kecil daripada bentangnya. Gaya-gaya yang harus didukung dalam struktur cangkang disalurkan secara merata melalui permukaan bidang sebagai gaya-gaya membran yang diserap oleh elemen strukturnya. Gaya-gaya disalurkan sebagai gaya normal, dengan demikian tidak terdapat gaya lintang dan lentur. Resultan gaya yang tersebar diserap ke dalam struktur dengan gaya tangensial yang searah dengan kelengkungan bidang permukaannya.

???? Struktur membran

Struktur membran mempunyai prinsip yang sama dengan struktur cangkang, tetapi dengan bahan bidang permukaan yang sangat tipis. Kekakuan selaput tipis tersebut diperoleh dengan elemen tarik yang membentuk jala-jala yang saling membantu untuk menambah kapasitas menahan beban-beban lendutan.

d) Struktur Kabel dan Jaringan

Struktur kabel dan jaringan dikembangkan dari kemampuan kabel menahan gaya tarik yang tinggi. Dengan menggunakan sistem tarik maka tidak diperlukan sistem penopang vertikal untuk elemen horisontalnya (lantai atau atap), sehingga daerah di bawah elemen horisontal (ruang) memiliki bentangan yang cukup besar. Bangunan dengan aplikasi sistem struktur in I akan sangat mendukung untuk bangunan bentang luas berbentang lebar, seperti dome, stadion, dll (Gambar 4.24). Sistem yang dikembangkan pada struktur kabel antara lain :

? Struktur atap tarik dengan kolom penunjang

? Struktur kabel tunggal

? Struktur kabel ganda

2.2.2. Analisis Struktur Rangka Kaku

Struktur rangka kaku (rigid frame) adalah struktur yang terdiri atas elemen-elemen linier, umumnya balok dan kolom, yang saling dihubungkan pada ujung-ujungnya oleh joints (titik hubung) yang dapat mencegah rotasi relatif di antara elemen struktur yang dihubungkannya. Dengan demikian, elemen struktur itu menerus pada titik hubung tersebut. Seperti halnya balok menerus, struktur rangka kaku adalah struktur statis tak tentu. Banyak struktur rangka kaku yang tampaknya sama dengan sistem post and beam, tetapi pada kenyataannya struktur rangka ini mempunyai perilaku yang sangat berbeda dengan struktur post and beam. Hal ini karena adanya titik-titik hubung pada rangka kaku. Titik hubung dapat cukup kaku sehingga memungkinkan kemampuan untuk memikul beban lateral pada rangka, dimana beban demikian tidak dapat bekerja pada struktur rangka yang memperoleh kestabilan dari hubungan kaku antara kaki dengan papan horisontalnya.

a) Prinsip Rangka Kaku

Cara yang paling tepat untuk memahami perilaku struktur rangka sederhana adalah dengan membandingkan perilakunya terhadap beban dengan struktur post and beam. Perilaku kedua macam struktur ini berbeda dalam hal titik hubung, dimana titik hubung ini bersifat kaku pada rangka dan tidak kaku pada struktur post and beam. Gambar 4.25 menunjukkan jenisjenis struktur rangka dan perbedaannya dengan struktur post and beam.

b) Beban Vertikal

Pada struktur post and beam, struktur akan memikul beban beban vertikal dan selanjutnya beban diteruskan ke tanah. Pada struktur jenis ini, balok terletak bebas di atas kolom. Sehingga pada saat beban menyebabkan momen pada balok, ujung-ujung balok berotasi di ujung atas kolom. Jadi, sudut yang dibentuk antara ujung balok dan ujung atas kolom berubah. Kolom tidak mempunyai kemampuan untuk menahan rotasi ujung balok. Ini berarti tidak ada momen yang dapat diteruskan ke kolom,sehingga kolom memikul gaya aksial. Apabila suatu struktur rangka kaku mengalami beban vertikal seperti di atas, beban tersebut juga dipikul oleh balok, diteruskan ke kolom dan akhirnya diterima oleh tanah. Beban itu menyebabkan balok cenderung berotasi. Tetapi pada struktur rangka kaku akan terjadi rotasi bebas pada ujung yang mencegah rotasi bebas balok. Hal ini dikarenakan ujung atas kolom dan balok berhubungan secara kaku. Hal penting yang terjadi adalah balok tersebut lebih bersifat mendekati balok berujung jepit, bukan terletak secara sederhana.

Seiring dengn hal tersebut, diperoleh beberapa keuntungan, yaitu bertambahnya kekakuan, berkurangnya defleksi, dan berkurangnya momen lentur internal. Akibat lain dari hubungan kaku tersebut adalah bahwa kolom menerima juga momen lentur serta gaya aksial akibat ujung kolom cenderung memberikan tahanan rotasionalnya. Ini berarti desain kolom menjadi relatif lebih rumit. Titik hubung kaku berfungsi sebagai satu kesatuan. Artinya, bila titik ujung itu berotasi, maka sudut relatif antara elemen-elemen yang dihubungkan tidak berubah. Misalnya, bila sudut antara balok dan kolom semula 900, setelah titik hubung berotasi, sudut akan tetap 900. Besar rotasi titik hubung tergantung pada kekakuan relatif antara balok dan kolom. Bila kolom semakin relatif kaku terhadap balok, maka kolom lebih mendekati sifat jepit terhadap ujung balok, sehingga rotasi titik hubung semakin kecil.

Bagaimanapun rotasi selalu terjadi walaupun besarannya relatif kecil. Jadi kondisi ujung balok pada struktur rangka kaku terletak di antara kondisi ujung jepit (tidak ada rotasi sama sekali) dan kondisi ujung sendi-sendi (bebas berotasi). Begitu pula halnya dengan ujung atas kolom. Perilaku yang dijelaskan di atas secara umum berarti bahwa balok pada sistem rangka kaku yang memikul beban vertikal dapat didesain lebih kecil daripada balok pada sistem post and beam. Sedangkan kolom pada struktur rangka kaku harus didesain lebih besar dibandingkan dengan kolom pada struktur post and beam, karena pada struktur rangka kaku ada kombinasi momen lentur dan gaya aksial. Sedangkan pada struktur post and beam hanya terjadi gaya aksial. Ukuran relatif kolom akan semakin dipengaruhi bila tekuk juga ditinjau. Hal ini dikarenakan kolom pada struktur rangka mempunyai tahanan ujung, sedangkan kolom pada post and beam tidak mempunyai tahanan ujung. Perbedaan lain antara struktur rangka kaku dan struktur post and beam sebagai respon terhadap beban vertikal adalah adanya reaksi horisontal pada struktur rangka kaku. Sementara pada struktur post and beam tidak ada.

Pondasi untuk rangka harus didesain untuk memikul gaya dorong horisontal yang ditimbulkan oleh beban vertikal. Pada struktur post and beam yang dibebani vertikal, tidak ada gaya dorong horisontal, jadi tidak ada reaksi horisontal. Dengan demikian, pondasi struktur post and beam relatif lebih sederhana dibandingkan pondasi untuk struktur rangka.

c) Beban Horisontal

Perilaku struktur post and beam dan struktur rangka terhadap beban horisontal sangat berbeda. Struktur post and beam dapat dikatakan hampir tidak mempunyai kemampuan sama sekali untuk memikul beban horisontal. Adanya sedikit kemampuan, pada umumnya hanyalah karena berat sendiri dari tiang / kolom (post), atau adanya kontribusi elemen lain, misalnya dinding penutup yang berfungsi sebagai bracing. Tetapi perlu diingat bahwa kemampuan memikul beban horisontal pada struktur post and beam ini sangat kecil. Sehingga struktur post and beam tidak dapat digunakan untuk memikul beban horisontal seperti beban gempa dan angin. Sebaliknya, pada struktur rangka timbul lentur, gaya geser dan gaya aksial pada semua elemen, balok maupun kolom. Momen lentur yang diakibatkan oleh beban lateral (angin dan gempa) seringkali mencapai maksimum pada penampang dekat titik hubung. Dengan demikian, ukuran elemen struktur di bagian yang dekat dengan titik hubung pada umumnya dibuat besar atau diperkuat bila gaya lateralnya cukup besar.

Rangka kaku dapat diterapkan pada gedung besar maupun kecil. Secara umum, semakin tinggi gedung, maka akan semakin besar pula momen dan gaya-gaya pada setiap elemen struktur. Kolom terbawah pada gedung bertingkat banyak pada umumnya memikul gaya aksial dan momen lentur terbesar. Bila beban lateral itu sudah sangat besar, maka umumnya diperlukan kontribusi elemen struktur lainnya untuk memikul, misalnya dengan menggunakan pengekang (bracing) atau dinding geser (shear walls).

d) Kekakuan Relatif Balok dan Kolom

Pada setiap struktur statis tak tentu, termasuk juga rangka (frame), besar momen dan gaya internal tergantung pada karakteristik relatif antara elemen-elemen strukturnya. Kolom yang lebih kaku akan memikul beban horisontal lebih besar. Sehingga tidak dapat digunakan asumsi bahwa reaksi horisontal sama besar. Momen yang lebih besar akan timbul pada kolom yang memikul beban horisontal lebih besar (kolom yang lebih kaku). Perbedaan kekakuan relatif antara balok dan kolom juga mempengaruhi momen akibat beban vertikal. Semakin kaku kolom, maka momen yang timbul akan lebih besar daripada kolom yang relatif kurang kaku terhadap balok. Untuk struktur yang kolomnya relatif lebih kaku terhadap balok, momen negatif pada ujung balok yang bertemu dengan kolom kaku akan membesar sementara momen positifnya berkurang. Efek variasi kekakuan tersebut seperti pada Gambar 4.26.

e) Goyangan (Sideways)

Pada rangka yang memikul beban vertikal, ada fenomena yang disebut goyangan (sidesway). Bila suatu rangka tidak berbentuk simetris, atau tidak dibebani simetris, struktur akan mengalami goyangan (translasi horisontal) ke salah satu sisi.

f) Penurunan Tumpuan (Support Settlement)

Seperti halnya pada balok menerus, rangka kaku sangat peka terhadap turunnya tumpuan (Gambar 4.27). Berbagai jenis tumpuan (vertikal, horisontal, rotasional) dapat menimbulkan momen. Semakin besar differential settlement, akan semakin besar pula momen yang ditimbulkan. Bila gerakan tumpuan ini tidak diantisipasi sebelumnya, momen tersebut dapat menyebabkan keruntuhan pada rangka. Oleh karena itu perlu diperhatikan desain pondasi struktur rangka kaku untuk memperkecil kemungkinan terjadinya gerakan tumpuan.

g) Efek Kondisi Pembebanan Sebagian

Seperti yang terjadi pada balok menerus, momen maksimum yang terjadi pada struktur rangka bukan terjadi pada saat rangka itu dibebani penuh. Melainkan pada saat dibebani sebagian. Hal ini sangat menyulitkan proses analisisnya. Masalah utamanya adalah masalah prediksi kondisi beban yang bagaimanakah yang menghasilkan momen kritis.

h) Rangka Bertingkat Banyak

Beberapa metode yang dapat digunakan untuk melakukan analisis rangka bertingkat banyak yang mengalami beban lateral. Salah satunya adalah Metode Kantilever (Gambar 4.28), yang mulai digunakan pada tahun 1908. Metode ini menggunakan banyak asumsi, yaitu antara lain :

???? ada titik belok di tengah bentang setiap balok

???? ada titik belok di tengah tinggi setiap kolom

???? besar gaya aksial yang terjadi di setiap kolom pada suatu tingkat sebanding dengan jarak horisontal kolom tersebut ke pusat berat semua kolom di tingkat tersebut.

Metode analisis lain yang lebih eksak adalah menggunakan perhitungan berbantuan komputer. Walaupun dianggap kurang eksak, metode kantilever sampai saat ini masih digunakan, terutama untuk memperlajari perilaku struktur bertingkat banyak.

i) Rangka Vierendeel

Struktur Vierendeel seperti pada Gambar 4.29, adalah struktur rangka kaku yang digunakan secara horisontal. Struktur ini tampak seperti rangka batang yang batang diagonalnya dihilangkan. Perlu diingat bahwa struktur ini adalah rangka, bukan rangka batang. Jadi titik hubungnya kaku. Struktur demikian digunakan pada gedung karena alasan fungsional, dimana tidak diperlukan elemen diagonal. Struktur Vierendeel ini pada umumnya lebih efisien daripada struktur rangka batang.

2.2.3. Desain Rangka Kaku

Struktur rangka adalah jenis struktur yang tidak efisien apabila digunakan untuk beban lateral yang sangat besar. Untuk memikul beban yang demikian akan lebih efisien menambahkan dinding geser (shear wall) atau pengekang diagonal (diagonal bracing) pada struktur rangka. Apabila persyaratan fungsional gedung mengharuskan penggunaan rangka, maka dimensi dan geometri umum rangka yang akan didesain sebenarnya sudah dipastikan. Masalah desain yang utama adalah pada penentuan tiitik hubung, jenis material dan ukuran penampang struktur.

a) Pemilihan Jenis Rangka

Derajat kekakuan struktur rangka tergantung antara lain pada banyak dan lokasi titik-titik hubung sendi dan jepit (kaku). Titik hubung sendi dan jepit seringkali diperlukan untuk maksud-maksud tertentu, meminimumkan momen rencana dan memperbesar kekakuan adalah tujuan-tujuan desain umum dalam memilih jenis rangka. Tinjauan lain meliputi kondisi pondasi dan kemudahan pelaksanaan. Gambar 4.30 menunjukan beberapa jenis struktur rangka yang mempunyai bentuk berdasarkan pada momen lentur yang terjadi padanya.

Momen yang diakibatkan oleh turunnya tumpuan pada rangka yang mempunyai tumpuan sendi akan lebih kecil daripada yang terjadi pada rangka bertumpuan jepit. Selain itu, pondasi untuk rangka bertumpuan sendi tidak perlu mempunyai kemampuan memikul momen. Gaya dorong horisontal akibat beban vertikal juga biasanya lebih kecil pada rangka bertumpuan sendi dibandingkan dengan rangka yang bertumpuan jepit. Rangka bertumpuan jepit dapat lebih memberikan keuntungan meminimumkan momen dan mengurangi defleksi bila dibandingkan dengan rangka bertumpuan sendi. Dalam desain harus ditinjau berbagai macam kemungkinan agar diperoleh hasil yang benar-benar diinginkan.

b) Momen Desain

Untuk menentukan momen desain, diperlukan momen gabungan akibat beban vertikal dan beban horisontal. Dalam bebrapa hal, momenmomen akibat beban vertikal dan lateral (horisontal) ini saling memperbesar. Sementara dalam kondisi lain dapat saling mengurangi. Momen kritis terjadi apabila momen-momen tersebut saling memperbesar. Perlu diingat bahwa

beban lateral umumnya dapat mempunyai arah yang berlawanan dengan yang tergambar. Karena itu, umumnya yang terjadi adalah momen yang saling memperbesar, jarang yang saling memperkecil. Apabila momen maksimum kritis, gaya aksial dan geser internal telah diperoleh, maka penentuan ukuran penampang elemen struktural dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu :

(1) Mengidentifikasi momen dan gaya internal, maksimum yang ada di

bagian elemen struktur tersebut, selanjutnya menentukan ukuran penampang di seluruh elemen tersebut berdasarkan gaya dan momen internal tadi, sampai ukuran penampang konstan pada seluruh panjang elemen struktur tersebut. Cara ini seringkali menghasilkan elemen struktur yang berukuran lebih (over-size) di seluruh bagian elemen, kecuali titik kritis. Oleh karena itu, cara ini dianggap kurang efisien dibanding cara kedua berikut ini.

(2) Menentukan bentuk penampang sebagai respon terhadap variasi gaya momen kritis. Biasanya cara ini digunakan dalam desain balok menerus.

c) Penentuan Bentuk Rangka

(1) Struktur Satu Bentang

Pendekatan dengan menggunakan respon terhadap beban vertikal sebagai rencana awal tidak mungkin dilakukan berdasarkan momen negatif dan positif maksimum yang mungkin terjadi di setiap penampang akibat kedua jenis pembebanan tersebut. Konfigurasi yang diperoleh tidak optimum untuk kondisi beban lateral maupun beban vertikal, namun dapat memenuhi kondisi simultan kedua jenis pembebanan tersebut. (Gambar 4.31)

(2) Rangka Bertingkat Banyak

Pada struktur rangka bertingkat banyak juga terjadi hal-hal yang sama dengan yang terjadi pada struktur rangka berbentang tunggal.

d) Desain Elemen dan Hubungan

Penentuan bentuk elemen struktur dapat pula dilakukan dengan menggunakan profil tersusun. Titik hubung yang memikul momen umumnya dilas/disambung dengan baut pada kedua flens untuk memperoleh kekakuan hubungan yang dikehendaki. Umumnya digunakan plat elemen pengaku di titik-titik hubung kaku agar dapat mencegah terjadinya tekuk pada elemen flens dan badan sebagai akibat dari adanya tegangan tekan yang besar akibat momen. Rangka beton bertulang umumnya menggunakan tulangan di semua muka sebagai akibat dari distribusi momen akibat berbagai pembebanan. Tulangan baja terbanyak umumnya terjadi di titik-titik hubung kaku. Pemberian pasca tarik dapat pula digunakan pada elemen struktur horisontal dan untuk menghubungkan elemen-elemen vertikal. Rangka kayu biasanya mempunyai masalah, yaitu kesulitan membuat titik hubung yang mampu memikul momen. Salah satu usaha yang dilakukan untuk mengatasinya adalah dengan memakai knee braces. Titik hubung perletakannya biasanya berupa sendi.

2.2.4. Analisis Struktur Plat dan Grid

Plat adalah struktur planar kaku yang secara khas terbuat dari meterial monolit yang tingginya relatif kecil dibandingkan dengan dimensidimensi lainya. Beban yang umum bekerja pada plat mempunyai sifat banyak arah dan tersebar. Plat dapat ditumpu di seluruh tepinya atau hanya pada titik-titik tertentu, misalnya oleh kolom-kolom, atau bahkan campuran antar tumpuan menerus dan tumpuan titik. Kondisi tumpuan bisa berbentuk sederhana atau jepit. Adanya kemungkinan variasi kondisi tumpuan menyebabkan plat dapat digunakan untuk berbagai keadaan. Rangka ruang (sebenarnya merupakan rangka batang) yang terdiri dari elemen-elemen pendek kaku berpola segitiga yang disusun secara tiga dimensi dan membentuk struktur permukaan bidang kaku yang besar dengan ketebalan relatif tipis adalah struktur yang analog dengan plat.

Struktur Grid juga merupakan suatu contoh analogi lain dari struktur plat. Struktur grid bidang secara khas terdiri dari elemen-elemen linier kaku panjang seperti balok atau rangka batang, dimana batang-batang tepi atas dan bawah terletak sejajar. Titik hubungnya bersifat kaku. Distribusi momen dan geser pada struktur seperti ini dapat merupakan distribusi yang terjadi pad plat monolit. Pada umumnya grid berbutir kasar lebih baik memikul beban terpusat. Sedangkan plat dan rangka ruang dengan banyak elemen struktur kecil cenderung lebih cocok untuk memikul beban terdistribusi merata. Beberapa skema bentuk struktur plat, rangka ruang dan grid seperti pada Gambar 4.32.

a) Struktur Plat

(1) Struktur Plat Satu Arah

Beberapa hal perlu menjadi perhatian dalam pembahasan struktur plat satu arah, yaitu :

???? Beban Merata

struktur plat berperilaku hampir sama dengan struktur grid. perbedaannya adalah bahwa pada struktur plat, berbagi aksi terjadi secara kontinu melalui bidang slab, bukan hanya pada titik-titik tumpuan. Plat tersebut dapat dibayangkan sebagai sederetan jalur balok yang berdekatan dengan lebar satu satuan dan terhubung satu sama lain di seluruh bagian panjangnya. Gambar 4.33 mengilustrasikan struktur plat satu arah.

???? Beban Terpusat

Plat yang memikul beban terpusat berperilaku lebih rumit. Plat tersebut dapat dibayangkan sebagai sederetan jalur balok yang berdekatan dengan lebar satu satuan dan terhubung satu sama lain di seluruh bagian panjangnya. Karena adanya beban yang diterima oleh jalur balok, maka balok cenderung berdefleksi ke bawah. Kecenderungan itu dikurangi dengan adanya hubungan antara jalurjalur tersebut. Torsi juga terjadi pada jalur tersebut. Pada jalur yang semakin jauh dari jalur dimana beban terpusat bekerja, torsi dan geser yang terjadi akan semakin berkurang di jalur yang mendekati tepi plat. Hal ini berarti momen internal juga berkurang. Jumlah total reaksi harus sama dengan beban total yang bekerja pada seluruh arah vertikal. Jumlah momen tahanan internal yang terdistribusi di seluruh sisi plat juga harus sama dengan momen eksternal total. Hal ini didasarkan atas tinjauan keseimbangan dasar.

???? Plat Berusuk

Plat berusuk adalah sistem gabungan balok-slab. Apabila slab mempunyai kekakuan yang relatif kaku, maka keseluruhan susunan ini akan berperilaku sebagai slab satu arah (Gambar 4.34), bukan balok-balok sejajar. Slab transveral dianggap sebagai plat satu arah menerus di atas balok. Momen negatif akan terjadipada slab di atas balok.

(2) Struktur Plat Dua Arah

Bahasan atas struktur plat dua arah akan dijelaskan berdasarkan kondisi tumpuan yang ada (gambar 4.35), yaitu sebagai berikut :

???? Plat sederhana di atas kolom

???? Plat yang ditumpu sederhana di tepi-tepi menerus

???? Plat dengan tumpuan tepi jepit menerus

???? Plat di atas balok yang ditumpu kolom

b) Struktur Grid

Pada struktur grid, selama baloknya benar-benar identik, beban akan sama di sepanjang sisi kedua balok. Setiap balok akan memikul setengah dari beban total dan meneruskan ke tumpuan. Apabila balok-balok tersebut tidak identik maka bagian terbesar dari beban akan dipikul oleh balok yang lebih kaku. Apabila balok mempunyai panjang yang tidak sama, maka balok yang lebih pendek akan menerima bagian beban yang lebih besar dibandingkan dengan beban yang diterima oleh balok yang lebih panjang. Hal ini karena balok yang lebih pendek akan lebih kaku. Kedua balok tersebut akan mengalami defleksi yang sama di titik pertemuannya karena keduanya

dihubungkan pada titik tersebut. Agar defleksi kedua balok itu sama, maka diperlukan gaya lebih besar pada balok yang lebih pendek. Dengan demikian, balok yang lebih pendek akan memikul bagian beban yang lebih besar. Besar relatif dari beban yang dipikul pada struktur grid saling tegak lurus, dan bergantung pada sifat fisis dan dimensi elemen-elemen grid tersebut (Gambar 4.36). Pada grid yang lebih kompleks, baik aksi dua arah maupun torsi dapat terjadi. Semua elemen berpartisipasi dalam memikul beban dengan memberikan kombinasi kekuatan lentur dan kekuatan torsi. Defleksi yang terjadi pada struktur grid yang terhubung kaku akan lebih kecil dibandingkan dengan defleksi pada struktur grid terhubung sederhana.

2.2.5. Desain Sistem Dua Arah: Plat, Grid dan Rangka Ruang

a) Desain Plat Beton Bertulang

Beberapa faktor yang merupakan tinjauan desain pada plat beton bertulang. Faktor-faktor itu antara lain :

(1) Momen Plat dan penempatan tulangan baja

Tebal plat beton bertulang dan banyaknya serta lokasi penempatan tulangan baja yang digunakan pada slab atau plat bertinggi konstan selalu bergantung pada besar dan distribusi momen pada plat tersebut. Tulangan baja harus diletakkan pada seluruh daerah tarik. Karena momen bersifat kontinu, maka tulangan baja harus mempunyai jarak yang dekat. Umumnya tulangan dipasang sejajar.

(2) Bentang efektif

Semakin besar bentang, maka semakin besar momen yang timbul. Hal ini berarti, semakin tebal pula plat beton tersebut. Bila plat beton yang digunakan tebal, maka berat sendiri struktur akan bertambah. Karena alasan ini, plat beton seringkali dilubangi untuk mengurangi berat sendiri, tanpa mengurangi tinggi strukturalnya secara berarti. Sistem ini biasa disebut slab wafel. (Gambar 4.37)

(3) Tebal plat

Perbandingan L/d untuk mengestimasi tebal slab secara pendekatan adalah sebagai berikut :

(4) Efek gaya geser

Geser juga terjadi pada plat dan kadang kala bersifat dominan. Memperbesar luas geser plat dapat dilakukan dengan mempertebal plat. Namun hal ini menyebabkan plat tidak ekonomis. Solusinya adalah dengan menggunakan drop panel, yaitu plat dengan penebalan setempat. Alternatif lain, luas geser dapat diperbesar dengan memperbesar ukuran plat. Hal ini dapat dilakukan secara lokal dengan menggunakan kepala kolom (column capitals). Semakin besar kepala kolom, maka akan semakin besar pula luas geser plat. Plat yang menggunakan kepala kolom seperti ini biasanya disebut plat datar (flat slab). (Gambar 4.38)

b) Struktur Rangka Ruang

Beberapa faktor yang akan diuraikan berikut merupakan tinjauan desain pada struktur rangka ruang. Faktor-faktor itu antara lain :

(1) Gaya-gaya elemen struktur

Gambar 4.39 berikut ini mengilustrasikan gaya-gaya elemen yang terjadi pada struktur rangka ruang.

(2) Desain batang dan bentuk

Banyak sekali unit geometris yang dapat digunakan untuk membentuk unit berulang mulai dari tetrahedron sederhana, sampai bentuk-bentuk polihedral lain (Gambar 4.40). Rangka ruang tidak harus terdiri atas modul-modul individual, tapi dapat pula terdiri atas bidang-bidang yang dibentuk oleh batang menyilang dengan jarak seragam.

Struktur Plat Lipat

Kekakuan struktur plat satu arah dapat sangat dibesarkan dengan menghilangkan sama sekali permukaan planar, dan membuat deformasi besar pada plat itu, sehingga tinggi struktural plat semakin besar. Struktur semacam ini disebut plat lipat (folded plat), seperti pada Gambar 4.41..

Karateristik struktur plat lipat adalah masing-masing elemen plat berukuran relatif panjang. Prinsip desain yang mendasari hal ini adalah mengusahakan sedemikian rupa agar sebanyak mungkin material terletak jauh dari bidang tengah struktur.

2.2.6. Sistem Struktur dan Konstruksi Bangunan Bertingkat Tinggi

Dasar pemilihan suatu sistem struktur untuk bangunan tinggi adalah harus memenuhi syarat kekuatan dan kekakuan. Sistem struktur harus mampu menahan gaya lateral dan beban gravitasi yang dapat menyebabkan deformasi geser horisontal dan lentur. Hal lain yang penting dipertimbangkan dalam perencanaan skema struktural dan layout adalah persyaratan-persyaratan meliputi detail arsitektural, utilitas bangunan, transportasi vertikal, dan pencegahan kebakaran. Efisiensi dari sistem struktur dinilai dari kemampuannya dalam menahan beban lateral yang tinggi, dimana hal ini dapat menambah tinggi rangka. Suatu bangunan dinyatakan sebagai bangunan tinggi bila efek beban lateral tercermin dalam desainnya. Defleksi lateral dari suatu bangunan tinggi harus dibatasi untuk mencegah kerusakan elemen struktural dan non-struktural. Kecepatan angin di bagian atas bangunan juga harus dibatasi sesuai dengan kriteria kenyamanan, untuk menghindari kondisi yang tidak nyaman bagi penghuninya. Gambar 4.42 berikut ini adalah batasan-batasan umum, dimana suatu sistem rangka dapat digunakan secara efisien untuk bangunan bertingkat banyak.

Berbagai jenis sistem struktur di atas dapat diklasifikasikan atas dua kelompok utama, yaitu :

? medium-height building, meliputi : shear-type deformation predominant

? high-rise cantilever structures, meliputi : framed tubes, diagonal tubes, and braced trusses

Klasifikasi ini didasarkan atas keefektifan struktur tersebut dalam menahan beban lateral. Dari diagram di atas, sistem struktur yang terletak pada ujung kiri adalah sistem struktur rangka dengan tahanan momen yang efisien untuk bangunan dengan tinggi 20-30 lantai. Dan pada ujung kanan adalah sistem struktur tubular dengan efisiensi kantilever tinggi. Sistem struktur lainnya merupakan sistem struktur yang bentuknya merupakan aplikasi dari berbagai batasan ekonomis dan batasan ketinggian bangunan. Menurut Council on Tall Buildings and Urban Habitat 1995, dalam menyusun suatu metode klasifikasi bangunan tinggi berdasarkan sistem strukturnya, klasifikasi ini harus meliputi bahasan atas empat tinjauan, yaitu tinjauan terhadap : sistem rangka utama, sub-sistem pengekang (bracing), rangka lantai, dan konfigurasi serta distribusi beban. Pengelompokan ini ditekankan pada tahanan terhadap beban lateral. Sedangkan bahasan terhadap fungsi pikul-beban dari sub-sistem bangunan tinggi bisa lebih bebas ditentukan. Suatu sistem pencakar langit yang efisien harus mempunyai elemen penahan beban vertikal yang sesuai dalam sub-sistem beban lateral dengan tujuan untuk meminimalkan beban lateral terhadap keseluruhan struktur.

2.2.7. Klasifikasi Rangka Bangunan Bertingkat

Dengan mengetahui berbagai variasi sistem rangka, maka dapat memudahkan pembuatan model sistem rangka bertingkat banyak. Unt uk struktur tiga dimensi yang lebih rumit yang melibatkan interaksi berbagai sistem struktur, model yang sederhana sangat berguna dalam tahap preliminary design dan untuk komputasi. Model ini harus dapat mempresentasikan perilaku dari tiap elemen rangka dan efeknya terhadap keseluruhan struktur. Berikut ini akan dibahas tentang beberapa sistem rangka sebagai struktur untuk konstruksi bangunan berlantai banyak.

a) Rangka Momen (Moment Frames)

Suatu rangka momen memperoleh kekakuan lateral terutama dari tekukan kaku dari elemen rangka yang saling dihubungkan dengan sambungan kaku. Sambungan ini harus didesain sedemikian rupa sehingga punya cukup kekuatan dan kekakuan, serta punya kecenderungan deformasi minimal. Deformasi yang akan terjadi harus diusahakan seminimal mungkin berpengaruh terhadap distribusi gaya internal dan momen dalam struktur atau dalam keselutuhan deformasi rangka. Suatu rangka kaku tanpa pengekang (unbraced) harus mampu memikul beban lateral tanpa mengandalkan sistem bracing tambahan untuk stabilitasnya. Rangka itu sendiri harus tahan terhadap gaya-gaya rencana, meliputi beban dan gaya lateral. Disamping itu, rangka juga harus mempunyai cukup kekakuan lateral untuk menahan goyangan bila dibebani gaya horisontal dari angin dan gempa. Walaupun secara detail, sambungan kaku mempunyai nilai ekonomis struktur yang rendah, namun rangka kaku tanpa pengekang menunjukkan kinerja yang lebih baik dalam merespon beban dan gempa. Dari sudut pandang arsitektural, akan banyak keuntungan bila tidak digunakan sistem bracing triangulasi atau sisitem dinding solid pada bangunan.

b) Rangka Sederhana

Suatu sistem rangka sederhana mengacu pada sistem struktur dimana balok dan kolom dihubungkan dengan sambungan baut (pinnedjoints), dan sistem ini tidak mempunyai ketahanan terhadap beban lateral. Stabilitas struktur ini dicapai dengan menambahkan sistem pengaku (bracing) sepeti pada gambar 4.43. Dengan demikian, beban lateral ditahan oleh bracing. Sedangkan beban vertikal dan lateral ditahan oleh sistem rangka dan sistem bracing tersebut. Beberapa alasan penggunaan rangka dengan sambungan baut (pinned-joints frame) dalam desain rangka baja bertingkat banyak adalah :

a. Rangka jenis ini mudah dilaksanakan

b. Sambungan baut lebih dipilih dibandingkan sambungan las, yang umumnya memerlukan pengawasan khusus, perlindungan terhadap cuaca, dan persiapan untuk permukaannya dalam pengerjaannya.

c. Rangka jenis ini mudah dari segi desain dan analisis.

d. Lebih efektif dari segi pembiayaan. Penggunaan sistem bracing pada rangka sederhana lebih efektif bila dibandingkan dengan penggunaan sambungan kaku pada rangka sederhana.

c) Sistem Pengekang (Bracing Systems)

Sistem bracing menjamin stabilitas lateral dari keseluruhan kinerja rangka. Sistem ini bisa berupa rangka triangulasi, dinding geser atau core, atau rangka dengan sambungan kaku. Umumnya bracing pada gedung ditempatkan untuk mengakomodasi ruang lift dan tangga. Pada struktur baja, umumnya digunakan truss triangulasi vertikal sebagai bracing. Tidak seperti pada struktur beton, dimana semua sambungan bersifat menerus, cara yang paling efisien pada baja digunakan sambungan berupa penggantung untuk menghubungkan masing-masing elemen baja. Untuk struktur yang sangat kaku, dinding geser / shear wall atau core umum digunakan. Efesiensi bangunan dalam menahan gaya lateral bergantung pada lokasi dan tipe sistem bracing yang digunakan untuk mengantikan dinding geser dan core di sekelilimg shaft lift dan tangga.

d) Rangka dengan Pengekang (Braced Frame) dan Rangka Tanpa Pengekang (Unbraced Frame)

Sistem rangka bangunan dapat dipisahkan dalam dua macam sistem, yaitu sistem tahanan beban vertikal dan sistem tahanan beban horisontal. Fungsi utama dari sistem bracing ini adalah untuk menahan gaya lateral. Pada beberapa kasus, tahanan beban vertikal juga mempunyai kemampuan untuk menahan gaya horisontal. Untuk membandingkan kedua sistem bracing ini perlu diperhatikan perilaku sistem terutama responnya terhadap gaya-gaya horisontal.

Gambar 4.44 menunjukan perbandingan antara kedua sistem bracing di atas. Struktur A menahan beban horisontal dengan sistem bracing yang merupakan kesatuan dengan struktur utama. Sedangkan struktur B menahan beban horisontal dengan sistem bracing yang sifatnya terpisah dari struktur utama. Suatu rangka dapat diklasifikasikan sebagai rangka berpengaku

(braced) bila tahanan terhadap goyangan disediakan oleh sistem bracing sebagai respon terhadap beban lateral, dimana pengekang tersebut mempunyai cukup kekakuan dan dapat secara akurat merespon beban horisontal. Rangka dapat diklasifikasikan sebagai rangka berpengekang (braced) bila sistem bracing mampu mereduksi geser horisontal lebih dari 80%.

e) Sway Frame dan Un-sway Frame

Suatu rangka dapat diklasifikasikan sebagai ‘un-sway frame’ bila respon terhadap gaya horisontal dalam bidang cukup kaku untuk menghindari terjadinya tambahan gaya internal dan momen dari pergeseran horisontal tersebut. Dalam desain rangka bangunan berlantai banyak, perlu untuk memisahkan kolom dari rangka dan memperlakukan stabilitas dari kolom dan rangka sebagai masalah yang berbeda. Untuk kolom dalam rangka berpengaku, diasumsikan bahwa kolom dibatasi pada ujung-ujungnya dari geser horisontal, sehingga pada ujung kolom hanya dikenai momen dan beban aksial yang diteruskan oleh rangka.

Selanjutnya diasumsikan bahwa rangka sebagai sistem bracing memenuhi stabilitas secara keseluruhan dan tidak mempengaruhi perilaku kolom. Pada desain ‘sway frame’, kolom dan rangka saling berinteraksi satu sama lainnya. Sehingga pada desain ‘sway frame’, harus dipertimbangkan bahwa rangka merupakan menjadi bagian atau merupakan keseluruhan struktur bangunan tersebut.

Sumber :

Ariestadi, Dian, 2008, Teknik Struktur Bangunan Jilid 2 untuk SMK, Jakarta : Pusat Perbukuan Departemen Pendidikan Nasional, h. 210 – 237.