Beberapa Pertimbangan Dalam Desain Struktur Baja (Bagian 1)

Dalam desain dan konstruksi struktur apa pun, sejumlah besar persyaratan desain yang saling terkait harus dipertimbangkan pada setiap tahap dalam proses desain, termasuk juga dalam hal desain struktur baja.

Dalam hal ini, umumnya terdapat tiga tahapan desain, yang di antaranya adalah sebagai berikut.

• Desain konseptual, yang mengacu pada tahap pengambilan keputusan tentang dimensi keseluruhan dan bentuk struktur
• Desain awal, di mana diambil dari dimensi batang untuk keperluan estimasi
• Desain akhir, di mana semua kasus beban yang relevan dipertimbangkan, pemeriksaan terperinci dilakukan pada anggota, posisi pengekangan diselesaikan, dan koneksi dirancang

Dalam praktiknya, jarang ada perbedaan yang jelas antara setiap tahap desain. Desain konseptual dan pendahuluan sering dikembangkan bersama karena menentukan dimensi batang sebagai perkiraan dan mungkin saja meningkatkan tahap desain lanjutan.

Detail umum dari struktur rangka portal baja ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Gambaran berikut dimaksudkan untuk memberi pemahaman terkait hubungan antar elemen dengan konstruksi akhir, sehingga keputusan yang diperlukan pada setiap tahap dalam proses desain dapat dibuat dengan pemahaman implikasinya.

Beberapa hal yang menjadi pertimbangan desain struktur baja

Adapun hal-hal yang menjadi pertimbangan desain struktur baja adalah sebagai berikut.

1. Material baja

SNI 1729:2015 telah mengatur mengenai kualitas material baja yang harus digunakan yang pada dasarnya mengikuti standar ASTM (American Society for Testing and Materials). Umumnya, material yang digunakan adalah BJ 37 untuk baja struktural.

2. Dimensi batang

Keputusan penting pada tahap desain konseptual adalah ukuran tinggi dan lebar keseluruhan frame, di mana untuk memberikan dimensi internal yang jelas dan fungsi internal bangunan yang mewadai. Dimensi yang akurat hanya dapat ditentukan dengan melakukan desain pendahuluan untuk menentukan ukuran batang.

Adapun perhitungan ketinggian atap untuk analisis harus memungkinkan untuk:

• Jarak dari bagian atas fondasi ke tingkat lantai jadi
• Tinggi internal yang jelas
• Kedalaman haunch
• Setengah kedalaman rafter (jika analisis didasarkan pada garis tengah)

Diperlukan kehati-hatian untuk menentukan kedalaman haunch karena setidaknya ada tiga kegunaan yang berbeda dari istilah “kedalaman haunch“, yang di antaranya adalah sebagai berikut.

• Kedalaman dari titik persimpangan garis tengah rafter dan kolom ke bagian bawah haunch (digunakan untuk beberapa input perangkat lunak) (Gambar 2)
• Kedalaman dari bawah rafter ke bagian bawah haunch (Gambar 2). Hal ini biasanya digunakan oleh kontraktor baja untuk menentukan kedalaman pemotongan dari haunch dan didefinisikan sebagai Dh.
• Kedalaman dari atas rafter ke bagian bawah haunch (Gambar 3)

Demikian pula panjang haunch dapat didefinisikan baik dari garis tengah maupun dari muka kolom. Kedalaman haunch di bawah rafter (yaitu kedalaman pemotongan). Kemudian dalam banyak kasus akan dianggap sama dengan kedalaman rafter kurang dari ketebalan satu sayap dan radius akar.

3. Rafter dan Haunch

Rafters dan kolom eksternal biasanya dipilih dari tabulasi perkiraan dimensi karena efek beban yang dominan adalah disebabkan oleh tekukan daripada beban aksial. Bagian fabrikasi dapat digunakan untuk bentang panjang atau kondisi pembebanan yang tidak biasa dan digunakan dalam sejumlah sistem portal eksklusif.

Bagian rafter dan kolom biasanya dipilih sesuai dengan resistansi penampang terhadap momen lentur ditambah gaya aksial. Posisi pengekangan yang diperlukan kemudian dihitung (Gambar 3). Namun, jika pengekangan lateral tidak dimungkinkan, misalnya ketika ada pintu di antara semua kolom, stabilitas batang akan menentukan ukuran penampang.

4. Eaves Haunch (haunch pada pertemuan kolom-rafter)

Eaves haunch diperlukan untuk:

• Tambahan ketahanan lentur rafter di area momen tertinggi, memungkinkan penggunaan rafter yang lebih kecil
• Memberikan kedalaman yang memadai di tampilan rafter/ kolom untuk mencapai sambungan yang efisien. Kedalaman haunch sering ditentukan oleh lengan tuas ke baut yang dibutuhkan untuk mencapai kapasitas momen yang diperlukan

Eaves haunch dapat dipotong dari bagian canai panas atau dibuat dari plat. Stek dari bagian yang digulung umumnya lebih disukai dan akan lebih mudah untuk menggunakan bagian yang serupa dengan kolom atau rafter, meskipun ukuran sebenarnya dapat ditentukan oleh pertimbangan stabilitas dan koneksi.

Harus diakui, jika haunch dibuat dari ukuran dan berat penampang yang sama dengan rafter, yang mana tidak selalu memungkinkan sambungan untuk mencapai ketahanan lentur yang diperlukan. Dalam hal desain sambungan, haunch yang lebih dalam dan lebih berat mungkin akan lebih cocok.

Hal ini akan mengurangi gaya tarik di baut dan gaya tekan di bagian bawah haunch sehingga akan mengurangi ukuran baut dan persyaratan pengerasan. Hal ini juga akan mengurangi gaya geser (yang disebabkan oleh stress pada baut) di bagian atas kolom. Meningkatkan berat bagian dari mana potongan itu juga meningkatkan stabilitas potongan tersebut.

Haunch mungkin mempengaruhi ketinggian keseluruhan struktur karena klien mungkin memerlukan jarak bersih dari bagian bawah haunch. Dari sudut pandang ini, penting untuk meminimalkan kedalaman haunch.

Secara umum disepakati bahwa haunch biasanya akan efisien dalam hal keseluruhan desain portal jika:

• Kedalaman haunch di bawah rafter kira-kira sama dengan rafter
• Panjang haunch dari garis tengah kolom sekitar 10% dari rentang portal frame

Setidaknya ada dua definisi yang berbeda dari istilah “panjang haunch” yang umum digunakan. Salah satunya adalah panjang dari titik persimpangan garis tengah kolom dan rafter ke ujung haunch. Sementara yang lain adalah dari muka kolom sampai ujung haunch (lihat Gambar 2).

5. Apex Haunch (haunch pada pertemuan antar rafter)

Tujuan dari apex adalah untuk mencapai sambungan yang efisien antara batang rafter. Biasanya akan dibuat dari pelat dan desain detailnya akan menjadi bagian dari desain sambungan. Ukuran dan detail biasanya tidak perlu dipertimbangkan pada tahap desain awal.

6. Base Plate dan pondasi

Pada tahap desain konseptual, perlu untuk menentukan kekakuan rotasi dari pangkal kolom. Kecuali jika ada alasan yang mewadai, seperti kebutuhan untuk membatasi defleksi, biasanya digunakan tumpuan sendi.

Hal ini menyebabkan sambungan pelat dasar dan pondasi beton yang lebih kecil daripada yang akan terjadi pada tumpuan kaku. Pelat dasar dan fondasi umumnya akan dianalisis sebagai sambungan yang disematkan di dasar kolom bahkan ketika empat baut disediakan untuk stabilitas selama ereksi. Jika dinding luar dekat dengan batas, ukuran pelat dasar, baut, dan pondasi beton mungkin harus ditingkatkan untuk menahan momen akibat runtuhnya rafter karena api.

7. Posisi kekangan kolom dan rafter

Di bawah beban vertikal, flens internal kolom dan bagian bawah rafter di dekat atap akan tertekam dan pengekangan akan diperlukan untuk kedua flens rafter dan kedua flens kolom.

Purlins dan sheeting rails yang berlokasi strategis digunakan sebagai bagian dari sistem penahan. Purlins dan railing samping biasanya dapat memberikan pengekangan yang diperlukan, tetapi jika tidak mampu melakukannya, rafter atau ukuran kolom mungkin harus ditingkatkan (berdasarkan pemeriksaan stabilitas pada tahap desain yang terperinci).

Pada tahap desain konseptual dan pendahuluan, masalah-masalah berikut harus dipertimbangkan:

• Apakah purlins dan railing samping cukup besar sebanding dengan rafter dan kolom untuk menahan diri?
• Apakah purlins dan railing samping dikekang secara memadai oleh terpal atau sistem bracing independen?
• Apakah purlins dan railing samping diikat masing-masing ke bracing atap dan bracing vertikal?
• Apakah ada rel samping yang ada dalam posisi untuk menahan kolom, atau ada bukaan besar di samping struktur?
• Bagaimana flens bawah dari eaves haunch terkekang?

Pengekangan juga diperlukan di lokasi lain di mana flens tekan tidak melekat pada purlins atau sheeting rails , dan pengekangan dapat disediakan oleh kolom dan rafter.

Sebagai contoh, pengekangan biasanya akan diperlukan untuk mengarah ke bawah dari rafter di dekat puncak untuk menahan flens dalam kasus bekerjanya beban angin. Hal tersebut penting mengingat flens bawah dari eaves haunch dibatasi pada persimpangan dengan kolom.

Itulah 7 (tujuh) pertimbangan dalam desain struktur baja. Selain tujuh pertimbangan yang telah disebutkan di atas, terdapat 10 (sepuluh) pertimbangan desain struktur baja yang dapat Anda baca melalui artikel lanjutan di bawah ini.

Baca juga : Beberapa Pertimbangan Dalam Desain Struktur Baja (Bagian 2)

Referensi :

• Salter, P. R. et al. 2004. Design of single-span steel portal frames to BS 5950-1: 2000. Steel Construction Institute
• SNI 1729:2015 tentang Spesifikasi untuk Bangunan Gedung Baja Struktural, Indonesia