STATIKA DALAM DISIPLIN ILMU TEKNIK SIPIL

Modul 3

STATIKA DALAM DISIPLIN

ILMU TEKNIK SIPIL

Statika merupakan ilmu yang mempelajari semua benda yang tetap, yang statis. Ilmu Statika merupakan bagian dari bidang ilmu mekanika teknik. Dalam ilmu statika dipelajari segala sesuatu yang tidak bergerak (atau yang tidak akan bergerak). Hal ini berbeda dengan ilmu dinamik, dalam ilmu dinamik diterangkan semua yang bergerak. Akan tetapi, kedua bagian bidang ilmu tersebut mempunyai persamaan, yaitu gaya dan gerak (pergerakan).

Dalam ilmu statika, terdapat persyaratan khusus mengenai pergerakan, yaitu pergerakan v = 0, hal ini berarti bahwa pokok bahasan yang ditinjau adalah hanya bekerja dengan gaya-gaya yang tidak bergerak, atau dengan kata lain keadaan pergerakan sama dengan nol.

Kondisi tersebut terjadi apabila semua gaya yang bekerja atau semua gaya yang membebani suatu benda dan gaya-gaya dalam keadaan seimbang. Sebagai contoh gaya-gaya yang bekerja pada tangkai pengungkit (dengan jarak antara gaya dan benda = momen) saling menutupi, sehingga semua gaya seimbang.

Gambar 3.1 Keseimbangan Gaya.

Oleh karena itu, ilmu statika disebut juga ilmu keseimbangan gaya. Keseimbangan pada mulanya tidak ada dan apabila keseimbangan itu tercapai, segera akan terganggu lagi. Atau dapat pula terjadi perubahan dalam keseimbangan, yang diakibatkan oleh daya tarik bumi (dalam ilmu statika disebut berat sendiri), oleh beban yang dikenakan pada benda/konstruksi bangunan itu serta oleh kekuatan alam, sebagai contoh air hujan, salju, angin dan perubahan suhu.

Gambar 3.2 Struktur jembatan untuk pejalan kaki.

3.2 Tahapan Pembangunan Struktur

Ilmu statika pada dasarnya merupakan pengembangan ilmu fisika yang menjelaskan kejadian alam sehari-hari yang berkaitan dengan gaya-gaya yang bekerja. Pada pokok bahasan ini, dalam dunia konstruksi, pekerjaan seorang insinyur sipil secara garis besar dapat dikategorikan sebagai berikut :

1. Bidang perencanaan (design) bangunan sipil.

2. Bidang pelaksanaan (construction) bangunan sipil.

3. Bidang perawatan/perbaikan (maintenance/repair) bangunan sipil.

Salah satu fungsi utama bangunan sipil adalah mendukung gaya-gaya yang berasal dari beban-beban yang dipikulnya, sebagai contoh yaitu:

1. Jembatan/jalan, mendukung gaya-gaya yang berasal dari beban arus lalu lintas yang melintasi jembatan atau jalan tersebut.
   
2. Dinding penahan tanah (retaining wall), berfungsi menahan gaya timbunan tanah pada dinding retaining wall.
   
3. Bendung, berfungsi menampung air
   
4. Lantai pada gedung, berfungsi memikul beban hidup, beban mati dan beban mati tambahan yang bekerja.

Oleh karena itu, penguasaan ilmu statika sangat membantu insinyur sipil dalam pengambilan keputusan.

3.3 Definisi Sederhana Struktur

Struktur merupakan sarana yang berfungsi menyalurkan beban yang diakibatkan penggunaan dan/atau kehadiran bangunan di atas tanah.

Gambar 3.3 Jembatan rangka

Dari Gambar 3.3 dapat kita lihat bahwa struktur jembatan berfungsi untuk menyalurkan beban yang bergerak di sepanjang jembatan, yaitu kereta api.

Gambar 3.4 Bangunan gedung bertingkat.

Dari Gambar 3.4 dapat kita lihat bahwa bangunan gedung bertingkat berfungsi untuk menyalurkan beban-beban yang ada pada tiap lantai.

3.4 Tipe-tipe Struktur

Struktur dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa pendekatan, yaitu antara lain :

1. Geometri

Berdasarkan geometri dasar, bentuk struktur dapat diklasifikasikan sebagai salahsatu bentuk elemen garis (atau disusun dari elemen-elemen garis) atau sebagai bentuk elemen permukaan. Bentuk elemen garis dapat dibedakan sebagai garis lurus atau garis lengkung. Sedangkan bentuk elemen permukaan bisa berbentuk datar atau lengkung. Elemen permukaan lengkung bisa berupa lengkung tunggal atau lengkung ganda.

Pada kenyataannya tidak ada yang dapat disebut sebagai elemen garis atau elemen permukaan, karena elemen-elemen struktur memiliki tebal. Istilah garis dan permukaan ini hanya untuk memudahkan saja.

Gambar 3.5 Elemen garis lurus dan lengkung.

Elemen tersebut tergantung pada bahan atau metode konstruksinya. Sebagai contoh bahan dari kayu, beton atau baja.

2. Kekakuan

Berdasarkan kekakuan, dapat diklasifikasikan apakah suatu struktur kaku atau fleksibel.

Elemen kaku biasanya sebagai batang, tidak mengalami perubahan bentuk yang cukup besar di bawah pengaruh gaya atau pada perubahan gaya yang diakibatkan oleh beban. Namun meskipun demikian, struktur ini selalu bengkok meskipun sangat kecil, apabila dibebani.

Gambar 3.6 Jembatan KA Jalur Cikampek-Padalarang.

Elemen fleksibel atau tidak kaku, misalnya kabel, cenderung mempunyai bentuk tertentu pada suatu kondisi pembebanan. Bentuk tersebut dapat berubah apabila pembebanan berubah.

Struktur fleksibel dapat mempertahankan keutuhan fisiknya meskipun bentuknya berubah-ubah. Elemen kaku contohnya adalah kayu dan baja. Sedangkan contoh dari elemen fleksibel adalah kabel baja.

Gambar 3.7 Jembatan kabel di Pulau Batam, Indonesia.

3.5 Jenis-jenis Elemen Struktur

Jenis-jenis elemen struktur dapat dikategorikan sebagai berikut :

1. Balok dan Kolom

Struktur yang dibentuk dengan cara meletakkan elemen kaku horisontal di atas elemen kaku vertikal adalah struktur yang umum dijumpai. Elemen horizontal (balok) sering disebut sebagai elemen lentur, yaitu memikul beban yang bekerja secara transversal dari panjangnya dan mentransfer beban tersebut ke kolom vertikal yang menumpunya.

Gambar 3.8 Elemen balok dan kolom struktur bangunan gedung.

Kolom dibebani beban secara aksial oleh balok, kemudian mentransfer beban tersebut ke tanah. Kolom yang memikul balok tidak melentur ataupun melendut karena kolom pada umumnya mengalami gaya aksial tekan saja.

2. Rangka

Rangka mempunyai aksi struktural yang berbeda dengan jenis balok-tiang, karena adanya titik hubung kaku antara elemen vertikal dan elemen horisontal. Kekakuan titik hubung ini memberikan banyak kestabilan terhadap gaya lateral. Kekakuan titik hubung adalah salah satu dari berbagi jenis hubungan yang ada di antara berbagai elemen struktur.

Pada sistem rangka, baik balok maupun kolom akan melentur sebagai akibat adanya aksi beban pada struktur.

3. Rangka Batang

Struktur rangka batang adalah struktur yang terdiri dari kumpulan elemen batang yang disambung untuk membentuk suatu geometri tertentu sedemikian sehingga apabila diberi beban pada titik buhul (titik pertemuan antar batang) maka struktur tersebut akan menyalurkan beban ke tumpuan melalui gaya aksial (tarik atau tekan) pada batang-batangnya.

Titik buhul dimodelkan berperilaku sebagai sambungan pin (engsel) sehingga tidak bisa menahan atau menyalurkan momen ke batang yang lain.

Gambar 3.10 Rangka Batang.

4. Pelengkung

Pelengkung adalah struktur yang dibentuk oleh elemen garis yang melengkung dan membentang di antara dua titik. Pada umumnya terdiri atas potonganpotongan kecil yang mempertahankan posisinya akibat adanya tekanan dari beban.

Sebagai contoh dapat dilihat pada ilustrasi Gambar 3.5 (b) dan Gambar 3.12, serta contoh jembatan pelengkung seperti terlihat pada Gambar 3.13. Contoh lain adalah pada bangunan-bangunan modern, atau dinamakan pelengkung kaku (rigid arch).

Gambar 3.11 Jembatan pelengkung di Europabrücke, Murau, Austria.

Gambar 3.12 Ilustrasi sebuah jembatan pelengkung.

5. Dinding dan Pelat

Dinding dan pelat datar adalah struktur kaku pembentuk permukaan. Dinding pemikul beban biasanya dapat memikul baik beban arah vertikal maupun beban lateral (gempa, angin dan lain-lain).

Pelat datar biasanya digunakan secara horisontal dan memikul beban sebagai lentur, dan meneruskannya ke tumpuan. Struktur pelat biasanya terbuat dari beton bertulang atau baja.

Gambar 3.13 Pelat bangunan gedung.

6. Cangkang Silindrikal dan Terowongan

Cangkang contohnya adalah struktur pelat-satu-kelengkungan. Cangkang mempunyai bentang longitudinal dan lengkungannya tegak lurus terhadap diameter bentang. Cangkang dibuat dari material kaku (misalnya beton bertulang atau baja).

Terowongan berbeda dengan cangkang, yaitu struktur berkelengkungan tunggal yang membentang secara transversal. Terowongan dapat dipandang sebagai pelengkung menerus.

(a) Ilustrasi terowongan. (b) Terowongan kereta api.

Gambar 3.14 Terowongan.

7. Kubah dan Cangkang Bola

Kubah sangat efisien digunakan pada suatu bangunan dengan bentang besar. Tingkat kesulitan perhitungan lebih rumit. Sebagai contoh dapat dilihat pada Gambar 3.15.

Gambar 3.15 Struktur cangkang bola.

8. Kabel

Kabel adalah elemen struktur fleksibel. Bentuknya sangat tergantung pada besar dan perilaku beban yang bekerja padanya. Kabel dapat digunakan pada bentang yang panjang. Biasanya digunakan pada jembatan yang memikul dek jalan raya deserta lalu

lintas di atasnya. Sebagai contoh, dii negara Indonesia sudah dibangun beberapa jembatan kabel. Sebagai contoh, beberapa jembatan kabel yang ada di Indonesia adalah di Pulau Batam (Gambar 3.7), Riau (Gambar 3.16) dan Bandung, Jawa Barat (Gambar 3.17).

Gambar 3.16 Jembatan kabel di Riau, Indonesia.

Gambar 3.17 Jembatan kabel di Bandung, Jawa Barat, Indonesia.

9. Membran, Tenda dan Jaring

Membran adalah lembaran tipis dan fleksibel. Tenda biasanya dibuat dari permukaan membran. Bentuk yang sederhana maupun kompleks dapat dibuat dengan menggunakan membran-membran. Jaring adalah permukaan 3D yang terbuat dari sekumpulan kabel lengkung yang melintang. Jaring mempunyai analogi dengan kulit membran. Dengan memungkinkan adanya lubang saringan untuk variasi sesuai keperluan, maka sangat banyak bentuk permukaan yang dapat diperoleh.

Gambar 3.18 Model struktur membran.

Gambar 3.19 Model struktur membran untuk atap.

Salah satu keuntungan penggunaannya yaitu penempatan kabel dapat mencegah atap dari getaran akibat tekanan dan isapan angin. Selain itu, gaya tarik umumnya dapat diberikan pada kabel dengan alat jacking sehingga seluruh permukaan dapat mempunyai tahanan terhadap getaran pada atap.

Gambar 3.20 Struktur membran/tenda untuk atap tempat parkir.

3.6 Fenomena Struktur Dasar

Dalam analisis dan desain statu struktur, terdapat masalah-masalah yang kita jumpai, sebagai contoh misalnya bentuk-bentuk tertentu dapat terguling atau runtuh, apabila mengalami pembebanan tertentu. Beban yang menyebabkan terguling atau gagal tersebut dapat berasal dari keadaan tertentu (misalnya angin, gempa), beban akibat penggunaannya, atau akibat berat sendiri struktur tersebut. Beban-beban ini dapat menimbulkan gaya dalam pada struktur, tegangan pada bahannya, sehingga pada akhirnya dapat menyebabkan kegagalan.

Masalah pertama adalah berkaitan dengan kestabilan menyeluruh. Sebagai suatu kesatuan yang utuh, struktur dapat terguling, tergelincir atau terpuntir relatif terhadap dasarnya, terutama apabila mengalami beban seperti angin atau gempa.

Struktur yang relatif tinggi, sebagai contoh menara listrik tegangan tinggi yang mempunyai dasar kecil mempunyai potensi untuk terguling. Ketidakseimbangan akibat berat sendiri juga dapat menyebabkan terjadinya guling.

Penggunaan pondasi kaku yang lebar dapat mencegah terjadinya guling, atau dengan penggunaan pondasi tiang yang mampu memikul gaya tarik.

Masalah kedua adalah berkaitan dengan kestabilan hubungan atau internal. Apabila bagian-bagian struktur tidak tersusun atau terhubung dengan baik, maka struktur dapat runtuh. Suatu susunan struktur dapat stabil untuk kondisi pembebanan tertentu, tetapi tidak untuk kondisi lainnya.

Gaya-gaya seperti angin, gempa dapat menyebabkan keruntuhan demikian. Ada beberapa mekanisme dasar dinding, aksi rangka, atau diagonal yang dapat digunakan untuk membuat statu susunan struktur menjadi stabil.

Gambar 3.22 Menara listrik tegangan tinggi.

Masalah ketiga adalah berkaitan dengan kekuatan dan kekakuan elemen. Ada banyak masalah struktural pada kekuatan komponen struktur. Keruntuhan komponen dapat berupa keruntuhan akibat tarik, tekan, lentur, geser, torsi, gaya tumpu, atau deformasi berlebihan yang timbul secara internal di dalam struktur sebagai akibat dari adanya beban. Bersamaan dengan beban, juga timbal tegangan pada material.

Gambar 3.23 Kegagalan struktur akibat torsi.

Dengan mendesain komponen struktur secara hati-hati, keadaan tegangan tersebut dapat diatur agar berada dalam taraf aman.

3.7 Kriteria dan Tahapan dalam Analisis Struktur

Tinjauan dasar dalam merencanakan struktur adalah menjamin kestabilan pada segala kondisi pembebanan yang mungkin terjadi. Struktur akan mengalami perubahan bentuk tertentu apabila dibebani.

Pada struktur yang stabil, deformasi akibat beban pada umumnya kecil, dan gaya internal yang timbul di dalam struktur mempunyai kecenderungan mengembalikan bentuk struktur ke bentuk semula apabila beban dihilangkan.

Pada struktur yang tidak stabil, deformasi akibat beban pada umumnya mengakibatkan kecenderungan untuk terus bertambah selama struktur tersebut dibebani. Struktur yang tidak stabil tidak memberikan gaya-gaya internal yang mempunyai kecenderungan untuk terus bertambah selama struktur tersebut dibebani. Struktur yang tidak stabil mudah mengalami runtuh (collapse).

Tanggung jawab Insinyur Sipil sebagai perencana struktur adalah dapat menjamin struktur yang membentuk konfigurasi yang stabil. Para insinyur berupaya agar hasil rancangannya adalah yang terbaik atau optimal jika ditinjau dari kekuatan, kekakuan maupun pembiayaan (ekonomis).

Gambar 3.24 Kestabilan struktur.

Gambar 3.25 Struktur yang tidak stabil.

Oleh : Edifrizal Darma