bab 4 kolom
DESCRIPTION
kolomTRANSCRIPT
aw-as/ts-pskg/mk-struk.baja.gdg/copyright-pnup/2008
IV-1
BAB IV KOLOM
4.1. Pendahuluan
Bab ini membahas topik perancangan elemen struktur kolom dan pelat
penyambung kolom ke pondasi (pelat kaki) bangunan portal baja. Topik bahasan
ini menggambarkan persyaratan dan perancangan kolom pada portal bertingkat,
persyaratan dan desain pelat kaki (base plate). Desain kolom dibutuhkan dalam
perencanaan portal baja sebagai elemen/batang utama dari struktur bangunan
gedung. Topik bahasan ini bertujuan agar mahasiswa dapat merancang kolom baja
dan pelat kaki struktur portal baja
4.2. Penyajian
Kolom merupakan elemen/batang tekan yang berfungsi sebagai batang
utama pada struktur bangunan baja. Kekuatan kolom baja harus dirancang sekuat
mungkin, karena kolom ialah elemen terakhir dari struktur atas gedung yang
memikul beban. Oleh karena itu, kolom harus dirancang lebih kuat dari balok.
4.2.1 Pengertian Kolom
Kolom adalah batang tekan tegak yang berfungsi menahan beban-beban
untuk diteruskan ke pondasi. Umumnya batang tekan atau kolom mempunyai sifat
keruntuhan dan kelangsingan.
A. Keruntuhan kolom
Keruntuhan batang tekan dapat dikategorikan menjadi dua bagian :
1. Keruntuhan yang diakibatkan tegangan lelehnya dilampaui. Keruntuhan
ini terjadi pada kolom pendek.
2. Keruntuhan yang diakibatkan oleh terjadinya tekuk (buckling).
Keruntuhan ini terjadi pada kolom yang langsing. Jika akibat tekuk
tegangan penampang masih dalam keadaan elastis (belum mencapai
tegangan leleh), maka gaya kritis dapat dihitung dengan rumus Euler :
aw-as/ts-pskg/mk-struk.baja.gdg/copyright-pnup/2008
IV-2
2
2 .
Lk
EIPkr
π= (4.2-1)
Dimana :
Lk = panjang tekuk E = modulus elastisitas baja I = momen inersia terhadap sumbu yang ⊥ arah tekuk Sehingga tegangan kritis diperoleh :
2
2
λπσ E
A
Pkrkr == (4.2-2)
Berdasarkan harga tegangan kritis ini, maka kolom dibagi tiga bagian :
1. Kolom Pendek (λ ≤ 20)
Pada kondisi ini tidak terjadi tekuk
ykr σσ = (4.2-3)
2. Kolom sedang ( 20 < λ < λg)
Pada kondisi ini terjadi tekuk inelastis
2py2
p
ykr λ)σ(σE.π
σσσ −−= (4.2-4)
3. Kolom langsing
Pada kondisi ini terjadi tekuk elastis
2
2
krλ
Eπσ = (4.2-5)
B. Batas kelangsingan
Batas kelangsingan kolom (λg) adalah angka kelangsingan dimana rumus
euler tidak lagi berlaku lagi atau deformasi pada batang telah memasuki daerah
inelastis (plastis). Besarnya λg dihitung dengan persamaan :
kr
gσ
Eπλ = (4.2-6)
dimana : krσ = σy
aw-as/ts-pskg/mk-struk.baja.gdg/copyright-pnup/2008
IV-3
Jika pengaruh tegangan residu (residual stress) diperhitungkan, maka
batas angka kelangsingan menjadi :
yg .σ 0,7
Eπλ = (4.2-7)
C. Tegangan tekan izin
Tegangan tekan izin (tk_
σ ) adalah tegangan kritis (krσ ) dibagi dengan
faktor keamanan (SF). Besarnya harga faktor keamanan bervariasi antara 1,5
untuk kolom pendek sampai dengan 2,5 untuk kolom langsing. Harga tegangan
tekan izin untuk berbagai tipe kolom sebagai berikut :
- Kolom pendek : 1,5
σσ
ytk
_
= (4.2-8)
- Kolom sedang : )σσ(20-
20-σσ
___
tk
_
g
g
−−=λλ
(4.2-9)
- Kolom langsing : 2
2
tk
_
λ.2,5
E.πσ = (4.2-10)
dimana :
g
_
σ = tegangan tekan izin pada kelangsingan sama dengan
kelangsingan batas λg.
2g
2
g
_
λ.2,5
E.πσ =
D. Faktor tekuk (ω)
Untuk menentukan tegangan tekan izin diperlukan faktor tekuk (ω). Harga faktor
tekuk ini ditentukan berdasarkan tk
_
σ , dihitung dengan rumus pendekatan :
- Kolom pendek : 1ω = (4.2-11)
- Kolom sedang :
g-593,1
41,1
λλω = (4.2-12)
- Kolom langsing : 2)g
(381,2λλω = (4.2-13)
aw-as/ts-pskg/mk-struk.baja.gdg/copyright-pnup/2008
IV-4
E. Angka kelangsingan (λλλλ)
Kelangsingan kolom (batang tekan) tergantung pada jari-jari inersia (i) dan
panjang tekuk (Lk). Kelangsingan batang dihitung dengan persamaan :
mini
Lk=λ (4.2-14)
dimana : Lk = panjang tekuk (cm) imin = jari-jari inersia minimum (cm)
F. Panjang tekuk (Lk)
Panjang tekuk (effective length) adalah jarak antara titik belok (inflection
point) dari sebuah batang yang tertekuk. panjang tekuk (Lk). Kelangsingan batang
dihitung dengan persamaan :
L.kL k = (4.2-14)
dimana : k = koefisien/faktor tekuk L = panjang batang (cm)
Harga faktor tekuk untuk kolom terpisah (isolated column) tergantung
pada kondisi ujung-ujungnya yang dapat dilihat pada tabel 6, PPBBI-1987.
Kolom umumnya merupakan bagian dari suatu bangunan (portal),
sehingga panjang tekuk kolom harus dihitung sebagai elemen-elemen konstruksi
yang berhubungan dengannya.
a. Portal Tidak Bergoyang (Non Sway)
Gambar 4.2-1 Kekakuan Portal Tidak Dapat Bergoyang
aw-as/ts-pskg/mk-struk.baja.gdg/copyright-pnup/2008
IV-5
bb
ccA L/I
L/I G
∑
∑=
bb
ccB L/I
L/I G
∑
∑=
b. Portal Dapat Bergoyang (Sway)
Gambar 4.2-2 Kekakuan Portal Dapat Bergoyang
Panjang tekuk kolom dari suatu bangunan bertingkat dengan sambungan
kaku (rigid connection) ditentukan dengan nomogram gambar 4.2-3.
menggunakan persamaan :
balokbalok
kolomkolom
L/I
L/I G
∑
∑= (4.2-15)
Jika perletakan ujung kolom sendi, G = 10, dan ujung jepit, maka G = 1
Bila salah satu ujung balok berupa perletakan atau simple connection
(tidak menahan momen), maka kekakuan Ib/Lb harus dikalikan dengan faktor :
Sendi : portal tak dapat bergoyang = 1,5
: portal tak dapat bergoyang = 0,5
Jepit : portal tak dapat bergoyang = 2,0
: portal tak dapat bergoyang = 0,67
Ib, Lb
Ib, Lb Ib, Lb
Ib, Lb
Ic, Lc
Ic, Lc
Ic, Lc
A
B
aw-as/ts-pskg/mk-struk.baja.gdg/copyright-pnup/2008
IV-6
Gambar 4.2-3 Nomogram Faktor Tekuk Kolom
aw-as/ts-pskg/mk-struk.baja.gdg/copyright-pnup/2008
IV-7
CONTOH SOAL 1 :
Hitung panjang tekuk untuk kolom AB dari portal di bawah ini, jika :
a. Portal tidak dapat bergoyang
b. Portal bergoyang
PENYELESAIAN :
a. portal tidak dapat bergoyang
GA = 10 (sendi)
GB = L)/(3I2
/L)(I2
= 0,667 ≈ 0,7
diperoleh nilai k dari nomogram = 0,83, sehingga :
Lk = k . L = 0,83L
b. portal dapat bergoyang
GA = 10 (sendi)
GB = L)/(3I2
/L)(I2
= 0,667 ≈ 0,7
diperoleh nilai k dari nomogram = 1,82, sehingga :
Lk = k . L = 1,82L
2L
L
2L
L
3I
A
B 3I
I
I
aw-as/ts-pskg/mk-struk.baja.gdg/copyright-pnup/2008
IV-8
4.2.2. Kolom Pemikul Gaya Aksial Tekan
Untuk memperoleh stabilitas dari kolom, maka kolom tidak boleh
mengalami tekuk. Secara umum, syarat stabilitas kolom terutama untuk kolom
pemikul gaya aksial tekan saja harus memenuhi syarat:
ωσσ_
_
A
N =≤ tk atau _
A
N σω ≤ (4.2-16)
dimana : N = gaya tekan pada batang (kg) A = luas penampang (cm2) ω = faktor tekuk
_
σ = tegangan izin dasar
CONTOH SOAL 2 :
Diketahui kolom WF 300.300.9.14 dibebani sentris N = 100 ton, tinggi kolom
L = 400 cm, mutu baja BJ37. Kontrol kekuatan kolom jika :
a. Ujung perletakan sendi-sendi
b. Ujung perletakan jepit-jepit
PENYELESAIAN :
h = 298 mm b = 299 mm tf = 14 mm tw = 9 mm A = 110,8 cm2 ix = 13,0 cm iy = 7,51 cm
a. ujung perletakan sendi-sendi
Lk = L = 400 cm → sendi-sendi
5426,53min
≈==i
Lkλ diperoleh ω = 1,269
OKcmkgcmkg →=≤== 2_
2 /1600/30,1145A
N σωσ
h tw
b
tf
aw-as/ts-pskg/mk-struk.baja.gdg/copyright-pnup/2008
IV-9
b. ujung perletakan jepit-jepit
Lk = ½ L = 200 cm → jepit-jepit
2763,26min
≈==i
Lkλ diperoleh ω = 1,045
OKcmkgcmkg →=≤== 2_
2 /1600/14,943A
N σωσ
4.2.3. Kolom Pemikul Momen, Aksial, Geser (Beam-Column)
Suatu batang yang memikul gaya tekan aksial dan momen lentur secara
bersama-sama disebut beam-column. Batang ini dapat berfungsi ganda, sebagai
balok (beam) karena memikul momen dan sebagai kolom (column) karena
pemikul gaya tekan aksial, karena itu disebut beam-column.
Gambar 4.2-4 Kolom dan Balok Portal
Keadaan batang seperti beam-column, dapat dijumpai pada :
- Batang tepi atas suatu rangka atap baja, dimana penempatan gordingnya
tidak tepat pada satu tititk simpul.
- Kolom dan balok dari suatu portal
Peninjauan perilaku beam-column dapat dilakukan dalam berbagai macam
keadaan, antara lain :
a. Kekakuan kolom dalam bidang zx, melekuk dalam bidang yz saja, karena
ada lateral restraints ⊥ bidang yz.
aw-as/ts-pskg/mk-struk.baja.gdg/copyright-pnup/2008
IV-10
b.Flexural-torsional buckling dari kolom melentur dalam bidang yz, dan
melekuk dalam bidang xz dan twisting φ.
c. Biaxial bending column, melentur dalam bidang yz dan xz dan twisting φ.
A. Kolom yang Ujung-Ujungnya Tidak Bergoyang/Bergeser
Kekuatan kolom yang ujung-ujungnya tidak dapat bergoyang/bergeser harus
dikontrol terhadap momen dan aksial tekan yang bekerja serta kontrol terhadap
tekuk ke arah ⊥ sumbu lemah (sb. y-y).
(1) Kolom-kolom yang tidak dibebani gaya lintang dan momen lentur hanya
terhadap sumbu x-x, harus memenuhi syarat :
_
1A
N σβω ≤−
+x
x
x
xxx W
M
n
n (4.2-17)
_
A
N σω ≤y (4.2-18)
aw-as/ts-pskg/mk-struk.baja.gdg/copyright-pnup/2008
IV-11
_
A
N σ≤+x
x
W
M ` (4.2-19)
dimana : ωx = faktor tekuk akibat λx
x
kxx i
Lλ = = kelangsingan terhadap sumbu x-x.
Lkx = panjang tekuk pada arah ⊥ sumbu x-x, yang besarnya dapat diambil sama dengan : a. bagian terpanjang yang tidak disokong pada arah ⊥ sumbu x-x b. panjang tekuk yang sebenarnya, dengan memperhitungkan
syarat-syarat batas ujung-ujung kolom. N = gaya normal pada kolom A = luas penampang kolom
βx = 0,6 + 0,4 x2
x1
M
M →
x2
x1
M
M(tanda momen harus disertakan).
βx ≥ 0,4, jika panjang tekuk diperoleh dengan cara (a) βx ≥ 0,6, jika panjang tekuk diperoleh dengan cara (b) Mx1 dan Mx2 = momen pada ujung-ujung kolom Mx1 ≤ Mx2 Mx = Mx2
Wx = momen tahanan terhadap sumbu x-x
N
A.
λ.N
EA.πn EX
2x
2 σ==x
(2) Kolom-kolom yang dibebani gaya lintang dan momen lentur hanya
terhadap sumbu x-x, harus memenuhi syarat :
_2.
1AN σ
ββω ≤
+−
+x
DXxx
x
xxx W
MM
n
n (4.2-20)
_2
A
N σ≤+
+x
DXx
W
MM (4.2-21)
dimana : MDX = momen lentur lapangan terbesar akibat beban lintang yang
⊥ sumbu x-x, dengan asumsi kedua ujung kolom sebagai sendi. Jika MDX ≤ 2Mx2, maka MDX tidak diperhitungkan (MDX = 0).
aw-as/ts-pskg/mk-struk.baja.gdg/copyright-pnup/2008
IV-12
(3) Kolom-kolom yang tidak dibebani gaya lintang dan momen lentur hanya
terhadap sumbu y-y, harus memenuhi syarat :
_
1A
N σβω ≤−
+y
y
y
yyy W
M
n
n (4.2-22)
_
A
N σω ≤x (4.2-23)
_
A
N σ≤+y
y
W
M (4.2-24)
(4) Kolom-kolom yang dibebani gaya lintang dan momen lentur hanya
terhadap sumbu y-y, harus memenuhi syarat :
_2.
1A
N σβ
βω ≤+
−+
y
DYyy
y
yyy W
MM
n
n (4.2-25)
_2
A
N σ≤+
+y
DYy
W
MM (4.2-26)
B. Kolom yang Mengalami Flexural Torsional Buckling
Kolom ini melentur terhadap sumbu kuatnya dan melekuk arah lateral
terhadap sumbu lemahnya kemudian terjadi puntir. Pengaruh lateral torsional
buckling ini diperhitungkan dengan mengalikan faktor θ pada persamaan
4.2-17sehingga menjadi :
_
1.
A
N σβθω ≤−
+x
x
x
xxx W
M
n
n (4.2-27)
Apabila beam-column juga menerima beban lintang, berlaku rumus :
_2.
1A
N σβ
θω ≤+
−+
x
DXxx
x
xx W
MM
n
n (4.2-28)
Dimana :
1,0)
M
M38(σ
σ5θ
x2
x1kip
_
_
≥−
=
aw-as/ts-pskg/mk-struk.baja.gdg/copyright-pnup/2008
IV-13
C. Kolom yang Mengalami Biaxial Bending
Kolom ini melentur terhadap sumbu kuatnya maupun terhadap sumbu
lemahnya disertai terjadinya puntir. Bentuk dan geometri kolom umumnya dari
portal bangunan tiga dimensi, dimana kolom akan memikul gaya aksial, lentur dan
puntir akibat elemen-elemen lainnya yang terhubung dengan kolom tersebut.
Analisis terhadap kolom yang memikul aksial dan lentur pada kedua sumbu
utamanya adalah sangat sulit. Namun dengan menggunakan rumus yang
tercantum dalam Pedoman Perencanaan Bangunan Baja Indonesia (PPBBI-1987)
hasilnya cukup realistis.
(1) Kolom-kolom yang tidak dibebani gaya lintang tetapi melentur terhadap
sumbu x-x dan sumbu y-y, harus memenuhi syarat :
_
max 11.
A
N σββθω ≤−
+−
+y
y
y
yy
x
x
x
xx W
M
n
n
W
M
n
n (4.2-29)
_
A
N σθ ≤++y
y
x
x
W
M
W
M (4.2-30)
(2) Kolom-kolom yang dibebani gaya lintang tetapi melentur terhadap sumbu
x-x dan sumbu y-y, harus memenuhi syarat :
_22
max
.
1
.
1A
N σββ
θω ≤+
−+
+−
+y
DYyy
y
y
x
DXxx
x
x
W
MM
n
n
W
MM
n
n(4.2-31)
_
y
DYy2
x
DXx2σ
W
MM
W
MMθ
A
N ≤+
++
+ (4.2-32)
dimana : ωmax = harga terbesar dari ωx dan ωy
4.2.4. Pelat Landas
Sebelum beban kolom diteruskan ke pondasi, kolom dipikul dahulu oleh
pelat kaki/pelat landas (base plate) yang berfungsi meratakan tekanan kolom pada
aw-as/ts-pskg/mk-struk.baja.gdg/copyright-pnup/2008
IV-14
pondasi. Sambungan/hubungan antar kolom dengan pelat kaki disambungkan
dengan las.
Pondasi dari pelat landas kolom ini dapat terdiri dari bahan, seperti
pasangan bata diplester, beton, pasangan batu kali, batu granit, dan sebagainya.
Kebutuhan luas dari plat kaki dapat dihitung dengan persamaan berikut :
F = L. B. d
−σ (4.2-33)
dimana : F = beban kolom sentris L = panjang pelat kaki σd = Tegangan tekan ijin pondasi
Dengan menyatakan B dalam L atau sebaliknya, ialah B = 5
3L …
3
2L dan
seterusnya, maka rumus tersebut di atas dapat ditentukan besarnya L, atau salah
satu L atau B ditentukan dulu, maka yang lain dapat ditentukan.
A. Pelat kaki dengan beban sentris Perhitungan momen-momen maksimum yang terjadi pada pelat dengan
beban σd terbagi dari pondasi dapat dilihat pada gambar 4.2-5.
Pada potongan C terjadi Mmin. = 1/2 q. a2
Pada potongan D terjadi Mmax. = 1/16 q. l2
Untuk menentukan ukuran B atau L, digunakan keseimbangan :
Mmax. = Mmin.
l.0,35alq.16
1aq.
2
1 22 =→=
Jika, B = l + 2a, → maka B = 1,7 l
aw-as/ts-pskg/mk-struk.baja.gdg/copyright-pnup/2008
IV-15
Gambar 4.2-5 Diagram Tegangan pada Pelat Kaki
Untuk menentukan tebal pelat kaki (s) dihitung dengan persamaan :
−=σ
σ.3s d (4.2-34)
di mana : σd = Tegangan tekan pondasi yang terjadi
= Tegangan tekan ijin baja
aw-as/ts-pskg/mk-struk.baja.gdg/copyright-pnup/2008
IV-16
B. Pelat Kaki Dengan Beban Eksentris
Gambar 4.2-6 Eksentritas pada Pelat Kaki Kolom
Akibat adanya eksentrisitas gaya yang dipikul kolom, akan terjadi momen
sebesar M = F.e, dimana e adalah eksentrisitas terhadap pusat berat penampang
kolom (titik berat pelat kaki).
a. Tegangan pada pelat kaki kolom
Pada pusat berat kaki kolom (sumbu kolom) terdapat gaya aksial F dan
momen M. Jadi di pusat berat kaki kolom juga bekerja momen M dan gaya
normal F. Selain itu, biasanya kaki kolom bekerja pula gaya horisontal H. Gaya H
ini ditahan oleh geseran antara pelat kaki dan pondasi, sehingga pada pelat kaki
hanya bekerja gaya F dan M, dengan persamaan tegangan :
h . b
M 6.
h.b
F
W
M
h.b
Fmax ±=±=σ (4.2-35)
Harga σmax ini terdapat pada ujung – ujung panjang h, dan harga σmax ini
tekan (+) dapat pula tarik (-). Hal ini dapat dilihat pada gambar berikut :
aw-as/ts-pskg/mk-struk.baja.gdg/copyright-pnup/2008
IV-17
21min
21max
21
max
σσσ
σσσ
h . b
M 6.σ
h.b
Fσ
h . b
M 6.
h.b
Fσ
−=+=
==
±=
Gambar 4.2-7 Diagram Tegangan pada Pelat Kaki Kolom
Dari diagram tegangan tersebut di atas (gbr. 4.2-7) dapat disimpulkan
sebagai berikut :
� Pada kondisi (a) dan (b) teoritis tidak perlu angker kecuali bila H tidak
dapat ditahan seluruhnya oleh gesekan antara pelat kaki dan bidang
pondasi. Secara praktis harus diberi 2 angker.
� Pada keadaan (c) mutlak perlu angker, untuk menahan tarikan.
b. Gaya tarik angker
Perhitungan baut angker (anchor bolt) dapat dilakukan dengan 2 cara :
Cara I :
aw-as/ts-pskg/mk-struk.baja.gdg/copyright-pnup/2008
IV-18
Baut angker dipasang 6 cm – 15 cm dari tepi pelat kaki bagian yang
tertarik atau e = 6 cm – 15 cm, sehingga diperoleh gaya tarik T :
M = T. c + F. r → c
r. F-MT = (4.2-36)
Cara II :
Baut angker melalui pusat berat diagram tegangan tarik, sehingga gaya
tarik T ialah :
c. Tebal pelat landas (bila ada eksentrisitas)
Pondasi beton tidak mampu menahan tarikan. Maka diagram tegangan
harus diubah agar menahan tekan saja. Oleh karena itu, diagram tegangan diubah
menjadi tekan seluruhnya sebagai berikut :
aw-as/ts-pskg/mk-struk.baja.gdg/copyright-pnup/2008
IV-19
Bila ditinjau pias selebar 1 cm, maka tebal pelat/harga s minimum ialah :
−− ==σ
M.6satau
σ
M.6s LAPB (4.2-37)
MB dan Mlap. harus dihitung dahulu dan dipakai harga M yang terbesar.
4.3. Penutup
A. Kesimpulan
Keruntuhan kolom dapat terjadi akibat harga tegangan lelehnya dilampaui
(pada kolom pendek) dan keruntuhan akibat tekuk (pada kolom langsing).
Perhitungan kekuatan penampang kolom harus dianalisis berdasarkan gaya-gaya
dalam M, D, N yang terjadi. Demikian pula dengan pelat kaki, perhitungan
kekuatan pelat didasarkan pada reaksi vertikal dan momen yang terjadi pada kaki
kolom. Persyaratan kekuatan yang harus dipenuhi pada kolom dan pelat kaki ini
ialah harga tegangan maksimum yang terjadi tidak melampaui harga tegangan
izinnya.
B. Soal-Soal Latihan
1. Diketahui portal baja sebuah gedung seperti tergambar.
Tentukan panjang tekuk masing-masing kolom, jika :
a. portal tidak dapat bergoyang
b. portal dapat bergoyang
2L 2L
3/2L
3I
A
B 3I
I
I
3I 3I
2I 2I
2I 2I
E
D
F C
G
H
I
3/2L
aw-as/ts-pskg/mk-struk.baja.gdg/copyright-pnup/2008
IV-20
2. Diketahui balok portal tak bergoyang WF 250.125.6.9, memikul beban
merata q = 250 kg/m1. Mutu baja BJ44. Hasil perhitungan gaya-gaya dalam
struktur seperti tergambar. Kontrol kekuatan dan kekakuan balok portal.
3. Diketahui kolom portal tak bergoyang WF 300.200.8.12, memikul beban
merata q = 260 kg/m1. Mutu baja BJ37. GA = 1 dan GB = 10,5 Hasil
perhitungan gaya-gaya dalam struktur seperti tergambar. Kontrol kekuatan
dan kekakuan balok portal.
3554
198
M = kg-m
L = 8 m D = kg N = kg
861
1672
1852
2023
M = kg-m D = kg N = kg
867
1379 2357
1255
6974
2013
6 m
M
M
D
N
N
D