Struktur Balok (SISTEM STRUKTUR BANGUNAN)

Prinsip desain untuk elemen balok dalam sistem struktural gedung melibatkan penggunaan pola berulang. Elemen balok digunakan secara luas dengan pola hierarkis di mana beban pada permukaan awalnya ditanggung oleh elemen permukaan, kemudian diteruskan ke elemen struktur sekunder, dan akhirnya ke kolektor atau tumpuan. Ketika beban meningkat, dan panjang elemen bertambah, ukuran atau tinggi elemen struktur akan semakin besar, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 10.

Pola hierarkis dapat bervariasi, tetapi pola yang paling umum digunakan adalah satu atau dua tingkat. Jarang digunakan pola dengan tiga tingkat [Gambar 10(a)]. Untuk bentang tertentu, sistem dengan tingkat yang berbeda dapat digunakan. Ukuran elemen struktur untuk setiap sistem dapat ditentukan melalui analisis bentang, beban, dan material. Beberapa kriteria utama yang harus dipenuhi meliputi kemampuan layan, efisiensi, dan kemudahan.

Artikel ini membahas tentang struktur balok sistem struktur bangunan. Struktur balok adalah salah satu komponen utama dalam sistem struktur bangunan. Struktur balok adalah struktur yang berfungsi untuk menopang beban yang berat, seperti lantai, atap, dan dinding. Struktur balok dapat dibuat dari berbagai material, seperti kayu, beton, baja, dan logam. Struktur balok dapat dibuat dengan berbagai bentuk, seperti balok lantai, balok atap, balok dinding, dan balok lantai. Struktur balok menggunakan berbagai teknik pembuatan, seperti pemotongan, penyambungan, pengelasan, dan pemasangan. Struktur balok juga harus memenuhi persyaratan keselamatan dan kualitas.

Kesimpulannya, struktur balok adalah salah satu komponen utama dalam sistem struktur bangunan. Struktur balok dapat dibuat dari berbagai material, seperti kayu, beton, baja, dan logam. Struktur balok dapat dibuat dengan berbagai bentuk, seperti balok lantai, balok atap, balok dinding, dan balok lantai. Struktur balok menggunakan berbagai teknik pembuatan, seperti pemotongan, penyambungan, pengelasan, dan pemasangan. Struktur balok juga harus memenuhi persyaratan keselamatan dan kualitas.

Balok adalah elemen struktur yang digunakan untuk menahan beban yang diterima oleh struktur. Balok dapat dibuat dari berbagai material, seperti kayu, beton, dan baja. Balok memiliki karakteristik internal yang lebih rumit dibandingkan dengan jenis elemen struktur lainnya, seperti kolom, pelat, dan pondasi. Biaya pembuatan balok bervariasi tergantung pada jenis material yang digunakan. Sebagai contoh, biaya pembuatan balok dari kayu berkisar antara Rp2.750.000 hingga Rp8.650.000, sedangkan biaya pembuatan balok dari cor beton berkisar antara Rp730.000 hingga Rp7.500.000 per meter kubik.

ANALISIS SISTEM STRUKTUR BANGUNAN
Struktur Rangka Batang

Struktur Balok
Secara sederhana, balok sebagai elemen lentur digunakan sebagai elemen penting dalam kosntruksi. Balok mempunyai karakteristik internal yang lebih rumit dalam memikul beban dibandingkan dengan jenis elemen struktur lainnya. Balok menerus dengan lebih dari dua titik tumpuan dan lebih dari satu tumpuan jepit merupakan struktur statis tak tentu. Struktur statis tak tentu adalah struktur yang reaksi, gaya geser, dan momen lenturnya tidak dapat ditentukan secara langsung dengan menggunakan persamaan keseimbangan dasar ΣFx =0, ΣFy =0, dan ΣFz =0. Balok statis tak tentu sering juga digunakan dalam praktek, karena struktur ini lebih kaku untuk suatu kondisi bentang dan beban daripada struktur statis tertentu. Jadi ukurannya bisa lebih kecil. Kerugian struktur statis tak tentu adalah pada kepekaannya terhadap penurunan (settlement) tumpuan dan efek termal.

Prinsip Desain (Struktur ) Balok

⇑

Pada sistem struktural yang ada di gedung, elemen balok adalah elemen yang paling banyak digunakan dengan pola berulang. Umumnya pola ini menggunakan susunan hirarki balok, dimana beban pada permukaan mula-mula dipikul oleh elemen permukaan diteruskan ke elemen struktur sekunder, dan selanjutnya diteruskan ke kolektor atau tumpuan. Semakin besar beban, yang disertai dengan bertambahnya panjang, pada umumnya akan memperbesar ukuran atau tinggi elemen struktur, seperti pada Gambar 10.

Susunan hirarki bisa sangat bervariasi, tetapi susunan yang umum digunakan adalah satu dan dua tingkat. Sedangkan susunan tiga tingkat adalah susunan yang maksimum digunakan [Gambar 10(a)]. Untuk ukuran bentang tertentu, pada umumnya sistem dengan berbagai tingkat dapat digunakan. Ukuran elemen struktur untuk setiap sistem dapat ditentukan berdasarkan analisis bentang, beban dan material. Ada beberapa kriteria pokok yang harus dipenuhi, antara lain : kemampuan layan, efisiensi, kemudahan.

Tegangan aktual yang timbul pada balok tergantung pada besar dan distribusi material pada penampang melintang elemen struktur. Semakin besar balok maka semakin kecil tegangannya. Luas penampang dan distribusi beban merupakan hal yang penting. Semakin tinggi suatu elemen, semakin kuat kemampuannya untuk memikul lentur.

Variabel dasar yang penting dalam desain adalah besar beban yang ada, jarak antara beban-beban dan perilaku kondisi tumpuan balok. Kondisi tumpuan jepit lebih kaku daripada yang ujung-ujungnya dapat berputar bebas. Balok dengan tumpuan jepit dapat memikul beban terpusat di tengah bentang dua kali lebih besar daripada balok yang sama tidak dijepit ujungnya. Jenis dan perilaku umum balok seperti pada Gambar 11.

Gambar 10. Balok pada Gedung
Sumber: Schodek, 1999

Beban lentur pada balok menyebabkan terjadinya gaya-gaya internal, tegangan serta deformasi. Gaya serta momen ini berturut-turut disebut gaya geser dan momen lentur. Agar keseimbangan pada bagian struktur tersebut diperoleh untuk bagian struktur yang diperlihatkan, sekumpulan gaya internal pasti timbul pada struktur yang efek jaringnya adalah untuk menghasilkan momen rotasional yang sama besar tapi berlawanan arah dengan momen lentur eksternal dan gaya vertikal yang sama dan berlawanan arah dengan gaya geser eksternal.

Gambar 11. Jenis-jenis perilaku balok
Sumber: Schodek, 1999

Analisa Struktur Balok

⇑

a. Tegangan Lentur

⇑

Pada perilaku umum balok, tegangan lentur yang bervariasi secara linier pada suatu penampang merupakan tanggapan atas aksi momen lentur eksternal yang ada pada balok di titik tersebut. Hubungan antara tegangan lentur (fy), parameter loaksi (y) dan besaran penampang (I) dapat dinyatakan dalam hubungan berikut ini :

I My fy apabila I membesar maka fy membesar apabila y membesar maka fy membesar apabila M membesar maka fy membesar I fy M y 􀂟 􀂰 􀂿 􀂰 􀂾 􀂽 􀂰 􀂯 􀂰 􀂮 􀂭 􀂸 􀂹 􀂷 􀂨 􀂩 􀂟􀂧 , , , 1 . . (4.3)

Untuk suatu harga momen tertentu, bila tinggi balok menjadi dua kali (sementara lebarnya tetap), akan menyebabkan tegangan lentur mengecil dengan faktor ¼. Tegangan lentur tidak terlalu peka terhadap perubahan lebar penampang. Untuk momen dan tinggi penampang konstan, memperlebar penampang dua kali akan memperkecil tegangan lentur menjadi setengahnya. Untuk penampang tak simetris, penentuan lokasi pusat berat tidak tepat ditengah tinggi penampang.

Proses penentuan dimensi penampang melintang pada balok sederhana simetris yang memikul momen lentur tidaklah sulit. Mula-mula bahan dipilih sehingga tegangan ijin diketahui. Selanjutnya ukuran penampang yang diperlukan ditentukan berdasarkan taraf tegangan lentur aktual pada balok yang harus sama atau lebih kecil dari taraf tegangan lentur ijin. Apabila tegangan aktual pada titik itu melampaui tegangan ijin, maka balok tersebut dipandang mengalami kelebihan tegangan (overstressed) dan hal ini tidak diijinkan.

b. Tekuk Lateral pada Balok

⇑

Pada balok yang dibebani dapat terjadi tekuk lateral dan terjadi keruntuhan sebelum seluruh kekuatan penampang tercapai. Fenomena tekuk lateral pada balok serupa dengan yang terjadi pada rangka batang. Ketidakstabilan dalam arah lateral terjadi karena gaya tekan yang timbul di daerah di atas balok, disertai dengan tidak cukupnya kekakuan balok dalam arah lateral. Diasumsikan bahwa jenis kegagalan tekuk lateral ini dapat terjadi, dan tergantung pada penampang balok, pada taraf tegangan yang relatif rendah.

Pencegahan tekuk lateral dapat dilakukan dengan cara :
(1) dengan membuat balok cukup kaku dalam arah lateral
(2) dengan menggunakan pengaku/pengekang (bracing) lateral.

Apabila balok digunakan untuk menumpu tutup atap atau sistem sekunder lain, pengekang dengan sendirinya diberikan oleh elemen sekunder tersebut. Apabila balok digunakan pada situasi dimana jenis pengekang tersebut tidak mungkin digunakan, maka balok dapat dibuat menjadi kaku dalam arah lateral dengan memperbesar dimensi transversal di daerah atas balok. Penggunaan beberapa pengekang lateral pada contoh struktur balok kayu dapat dilihat pada Gambar 12. Jenis dan penggunaan pengekang lateral juga ditentukan oleh perbandingan antara tinggi dan lebar balok.

Gambar 12. Pengekang Lateral untuk Balok Kayu
Sumber: Schodek, 1999

c. Tegangan Geser

⇑

Gaya resultan dari tegangan geser ini, yaitu gaya geser internal (VR) sama besar, tetapi berlawanan arah dengan gaya geser eksternal (VE). Tegangan geser maksimum pada penampang balok adalah 1,5 kali tegangan geser rata-rata penampang balok segiempat.

d. Tegangan Tumpu

⇑

Tegangan tumpu (bearing stress) adalah tegangan yang timbul pada bidang kontak antara dua elemen struktur. Contohnya adalah tegangan yang terjadi pada ujung-ujung balok sederhana yang terletak di atas tumpuan ujung dengan dimensi tertentu.

Banyak material, misalnya kayu, yang sangat mudah mengalami kegagalan akibat tegangan tumpu. Apabila beban tekan disalurkan, kegagalan tegangan tekan biasanya terjadi, dan hal ini ditunjukkan dengan hancurnya material. Kegagalan ini biasanya dilokalisasikan, dan lebih baik dihindari.

PERBANDINGAN TINGGI/LEBAR: JENIS PENGEKANG LATERAL YANG DIPERLUKAN

e. Torsi

⇑

Torsi adalah puntiran, yang timbul pada elemen struktur apabila diberikan momen puntir langsung MT atau secara tak langsung. Tegangan geser torsional timbul pada elemen struktur tersebut sebagai akibat dari momen torsi yang bekerja padanya, seperti pada gambar 13.

Gambar 13. Torsi yang terjadi pada balok.
Sumber: Schodek, 1999

Sedangkan Gambar 14 menunjukkan bahwa penampang tertutup lebih baik dalam menahan torsi bila dibandingkan dengan penampang terbuka.

Gambar 14. Penampang balok dan ketahanan terhadap torsi
Sumber: Schodek, 1999

f. Pusat Geser

⇑

Gambar 15 adalah ilustrasi pusat geser (shear centre) pada balok. Pada penampang tak simetrik, pemberian beban dapat menyebabkan terjadinya puntiran. Dengan menerapkan beban melalui ’pusat geser’ balok, maka hanya akan terjadi lentur, tanpa adanya puntir. Pusat geser penampang tak simetris seringkali terletak di luar penampang.

Gambar 15. Pusat geser (shear center) pada balok
Sumber: Schodek, 1999

g. Defleksi

⇑

Defleksi pada bentang balok disebabkan karena adanya lendutan balok akibat beban. Defleksi (∆) pada suatu titik tergantung pada beban P atau w, panjang bentang balok L, dan berbanding terbalik dengan kekakuan balok. Dengan demikian dapat dinyatakan bahwa:

( ) C (PL EI ) C wL EI apabila E bertambah maka berkurang apabila I bertambah maka berkurang apabila L bertambah maka bertambah apabila w bertambah maka bertambah / / , , , , 3 2 4 1 Δ = Δ = 􀂟 Δ Δ Δ Δ

Beberapa kriteria empiris yang digunakan untuk menentukan defleksi ijin adalah sebagai berikut :

360 L Δijin = Lantai 􀂃 Defleksi akibat beban mati 􀂃 Defleksi akibat beban mati dan beban hidup 240 L ijin Δ = 240 L ijin Δ = Atap 􀂃 Defleksi akibat beban hidup 􀂃 Defleksi akibat beban mati dan beban hidup 180 L ijin Δ =

h. Tegangan Utama

⇑

Pada balok, interaksi antara tegangan lentur dan tegangan geser dapat merupakan tegangan normal tekan atau tarik, yang disebut sebagai tegangan utama (principle stresses). Arah tegangan aksial ini pada umumnya berbeda dengan arah tegangan lentur maupun tegangan gesernya. Garis tegangan utama dapat digambarkan berikut ini, dimana merupakan implikasi pada mekanisme pemikul-beban yang ada pada balok (Gambar 16).