Jika struktur menerima beban berulang yang terus-menerus, maka akan mengalami kondisi kelelahan (fatigue) atau disebut fatik. Pada bangunan struktur baja, dampak fatik dapat menyebabkan elemen-elemen batang dan komponen sambungan menjadi fraktur (gagal), walaupun tegangan yang terjadi belum mencapai batas tegangan leleh (yield stress).
Menurut Setiawan (2008), keruntuhan lelah atau fatik dapat dipengaruhi oleh tiga faktor. Di antaranya adalah sebagai berikut.
- Jumlah siklus pembebanan
- Daerah tegangan layan (perbedaan antara tegangan maksimum dan minimum)
- Cacat-cacat dalam material seperti retak-retak kecil
Adapun mekanisme fatik terdiri dari tiga tahap, antara lain:
1. Permulaan retak (crack initiation)
Ketika sebuah komponen struktur mengalami pembebanan berulang, maka dapat menyebabkan potensi patah fatik. Kondisi ini terjadi dimulai dengan permulaan retak di mana terdapat sebuah konsentrasi tegangan yang biasanya dimulai pada bagian material terlemah dalam suatu penampang/ permukaan komponen struktur.
Adapun contoh material atau penampang terlemah di sini adalah retakan kecil/ cacat pada pabrik. Dampaknya adalah tegangan tidak merata karena banyak terkonsentrasi pada bagian yang lemah.
2. Perambatan retak (crack propagation)
Jika terdapat permulaan retak dan beban berulang terus menerus diberikan, maka selanjutnya akan timbul retak mikro. Kondisi tersebut akan mengarahkan pada retak makro yang dapat menyebabkan suatu komponen menjadi gagal sehingga berpengaruh pada runtuhnya bangunan.
3. Patah akhir (final fracture)
Beban berulang yang terus-menerus bekerja pada sebuah struktur bangunan akan membentuk sebuah pola siklus. Dengan siklus yang menimbulkan tegangan pada komponen struktur secara terus menerus, maka akan mengakibatkan komponen menjadi fraktur/ patah.
Siklus Tegangan
Fenomena kegagalan fatik ini dapat terjadi saat siklus tegangan pada struktur belum mencapai batas elastis, namun dapat menyebabkan kegagalan pada komponen hingga keruntuhan global struktur.
Masalahnya adalah keruntuhan tipe ini tidak menunjukkan tanda-tanda akan adanya deformasi sebagai peringatan bahaya pada struktur. Dengan kondisi tersebut, sangat sulit untuk menemukan retak fatik sampai pertumbuhan retak benar-benar terlihat.
Adapun macam-macam siklus tegangan adalah sebagai berikut.
1. Siklus Full Reversal
Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini, bahwa dalam satu siklus, tegangan telah mencapai batas maksimum pada kondisi maximum tensile stress dan minimum tensile stress.
Artinya bahwa komponen akan dibawa pada kondisi fully maximum tensile load, lalu unload, fully minimum tensile load, unload dan seterusnya.
2. Siklus Pulsating Tension
Siklus Pulsating Tension ditunjukkan bahwa dalam satu siklus, tegangan mencapai maksimum, namun hanya pada area maximum tensile stress saja.
3. Siklus Reversing/ Alternating
Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini, bahwa adanya siklus reversing/ alternating dimulai dari tegangan tarik minimum, yakni tidak pada nilai 0, sehingga menimbulkan efek kebalikan pada siklus selanjutnya.
4. Siklus Fluctuating
Siklus Fluctuating merupakan siklus yang mencapai nilai maksimum pada tegangan tarik dan selalu di atas nilai 0 pada tegangan tarik, yang mana artinya bahwa tidak mengalami tegangan minimum tarik pada komponen struktur. Adapun siklus fluctuating terlihat pada gambar di bawah ini.
5. Siklus Static Load
Gambar grafik static load di bawah ini menunjukkan tidak adanya efek fatik pada siklus tersebut.
Dari lima tipe siklus tegangan di atas, kondisi dengan tegangan Full Reversal adalah yang paling destruktif. Dimulai dari 0, ke tegangan tarik maksimum, kemudian unload, selanjutnya ke tegangan tekan maksimum, lalu unload, dan terus melakukan siklus tegangan sampai umur layan.
Siklus Fatik
Menurut Maranin (2010), terdapat dua macam kondisi siklus fatik. Adapun kondisi siklus fatik di antaranya adalah sebagai berikut.
1. High Cycle Fatigue (Siklus Fatik Tinggi)
Kelelahan siklus tinggi umumnya dianggap terjadi ketika komponen mengalami siklus beban yang besar. Pendekatan berbasis stres biasanya digunakan untuk menilai umur kelelahan dalam kondisi siklus tinggi.
2. Low Cycle Fatigue (Siklus Fatik Rendah)
Ketika jumlah siklus tidak besar, konsep kelelahan siklus rendah dapat digunakan untuk mengatasi kondisi siklus rendah.
Perbedaan utama antara siklus tinggi dan siklus rendah kelelahan adalah dengan cara melihat bagaimana tegangan ketika mendapatkan beban. Sebuah komponen yang mengalami pembebanan berulang siklus tinggi biasanya akan beroperasi dalam kondisi linier elastis (pembebanan monoton) dari hubungan tegangan-regangan untuk material tersebut.
Dampak gempa Northridge pada struktur baja sistem rangka pemikul momen, 1994
Pada gempa Northridge tahun 1994, terdapat sebuah bangunan struktur baja dengan sistem rangka pemikul momen mengalami kegagalan struktur yang cukup berat. Kerusakan yang diamati pada struktur tersebut biasanya dalam bentuk retakan pada penetrasi las sambungan antara balok dan flens kolom.
Dalam beberapa kasus, retakan merambat ke dalam kolom sehingga menghasilkan fraktur kolom. Dan dalam beberapa kasus lainnya, retakan juga diamati pada flens balok.
Sementara kegagalan yang diamati menunjukkan kinerja yang rapuh dengan sedikit daktilitas. Banyak koneksi sistem struktur tersebut gagal pada tingkat stres yang relatif rendah dan di bawah beberapa siklus getaran yang signifikan, di mana diharapkan mereka pada dasarnya tetap elastis.
Studi lain menunjukkan bahwa kurangnya daktilitas yang diamati dapat dikaitkan dengan low-cycle fatigue, kontribusi mode getaran yang lebih tinggi, tidak menerapkan dengan baik “strong column weak beam”, geometri sambungan, kendala dan konsentrasi tegangan yang dibangun ke dalam sambungan, tegangan sekunder, dan efek dari ukuran anggota dalam kinerja koneksi.
Dalam melakukan aktifitas forensik, PT Eticon Rekayasa Teknik sangat memperhatikan efek fatik (kelelahan) yang mungkin dapat terjadi pada bangunan baja seperti warehouse, cafe, bangunan industri, maupun bangunan gedung yang secara khusus menggunakan mesin-mesin yang memberikan efek vibrasi cukup besar pada struktur bangunan.
Baca juga : Persyaratan Struktur Bangunan Gedung
Referensi :
- Setiawan, A., 2008. Perencanaan Struktur Baja dengan Metode LRFD. Erlangga.
- Oentoeng, 2000. Konstruksi Baja. Yogyakarta: ANDI
- Maranin P., 2010. Reducing Brittle and Fatigue Failures In Steel Structures. Virginia: American Society of Civil Engineers