6
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Jembatan Rangka Batang
Jembatan rangka batang itu sendiri ialah gabungan dari beberapa batang
yang disatukan pada tiap titik join atau titik pertemuan dari batang tersebut sehingga
membentuk suatu susunan struktur yang efisien dan dapat menahan gaya yang
bekerja secara maksimal. Untuk bahan material yang sering digunakan pada
jembatan rangka batang ialah berupa batang seperti kayu dan baja.
Jembatan rangka menurut Schodek (1979) ialah struktur konstruksi
jembatan yang disusun dari gabungan rangka yang dihubungkan dengan suatu
sambungan pada tiap titik joinnya. Pada prosesnya jembatan rangka merupakan
perpaduan dari susunan segituga yang stabil sehingga tidak terjadi deformasi.
2.1.1 Prinsip Dasar Triangulasi
Hal yang mendasari suatu penyusunan struktur menjadi struktur yang
stabil ialah dengan menjadikan bentuk struktur tersebut menjadi konfigurasi
segitiga. Bentuk segitiga merupakan bentuk yang paling stabil apabila digunakan
dalam suatu proses perancangan struktur karena tidak terjadi perubahan sudut yang
signifikan apabila terjadi gaya pada struktur.
Gambar 2.1, Konfigurasi rangka segitiga stabil dan tidak stabil
7
2.1.2 Konfigurasi Segitiga
Hal yang menyebabkan timbulnya gaya pada komponen suatu struktur
sehingga menjadi tidak stabil ialah gaya eksternal. Dari banyaknya gaya yang
ditimbulkan ada beberapa gaya yang sering terjadi antara lain gaya Tarik dan gaya
tekan.
Menurut Schodek, 1999 gaya tekan dan tarik akan terjadi pada setiap
batang dan akan membetuk pola yang berubah antara gaya tekan dan tarik. Untuk
gaya tekan sendiri sering terjadi pada bagian atas dari struktur dan gaya tarik sering
terjadi pada bagian bawah struktur.
Pada struktur yang tidak stabil akan terjadi keruntuhan jika beban
diberikan secara langsung. Karena itu, untuk menentukan kestabilan sebuah
struktur digunakan persamaan sebagi berikut :
Dalam penentuan konfigurasi yang tepat untuk digunakan pada struktur
jembatan dapat menggunakan persamaan 2J = M + 3.
Dimana, J = Joint (titik / nodal)
M = Membebr (batang)
Gambar 2.2, Konfigurasi rangka pada jembatan
8
2.1.3 Gaya Batang
Dalam segala kondisi suatu struktur atau bagian dari struktur itu harus
berada dalam keadaan yang seimbang adalah suatu dasar dari analisa gaya batang.
Gaya-gaya batang yang bekerja pada titik hubung rangka batang pada semua bagian
struktur harus berada dalam keadaan seimbangan.
2.1.4 Komponen Jembatan Rangka Batang
Ada dua pembagian utama dalam suatu struktur jembatan yaitu struktur
bagian atas dan struktur bagian bawah. Dimana struktur bagian atas memiliki
kegunaan sebagai penahan untuk beban yang bekerja pada jembatan, sedangkan
untuk struktur bagian bawah memiliki kegunaan sebagai penahan terhadap struktur
bagian atas yang kemudian disalurkan ke tumpuan utama atau abutmen dan
diteruskan ke pondasi.
Gambar 2.3, Gaya tekan dan gaya tarik
Gambar 2.4, Komponen jembatan rangka
9
2.1.5 Jenis Rangka Batang
1. Warren truss, adalah tipe jembatan rangka dengan rangka utamanya
berbentuk trapesium dari serangkaian segitiga. Penggunaan ukuran
trave rangka warren truss ini baik pada tinggi dan bentang rangkanya
umumnya sama pada bentang jembatan yang berbeda.
2. Pratt truss, Sebuah truss Pratt termasuk anggota vertikal dan diagonal
yang melandai ke bawah menuju pusat, kebalikan dari truss Howe. Hal
ini dapat dibagi, menciptakan Y-K dan pola berbentuk. The Pratt Truss
diciptakan pada tahun 1844 oleh Thomas dan Caleb Pratt. Truss ini
praktis untuk digunakan dengan bentang hingga 250 kaki dan
konfigurasi umum untuk jembatan kereta api sebagai truss jembatan
pindah dari kayu dengan logam.
3. Howe truss, adalah jenis desain jembatan yang diperkenalkan oleh
seorang arsitek Amerika William Howe. Ini menggunakan desain
serupa seperti Pratt truss , tetapi dengan perbedaan yang kuat. Di sini
balok struktural diagonal miring ke arah pusat jembatan, sementara
rangka Pratt menggunakan balok diagonal yang miring ke luar dari
pusat jembatan. Pendekatan ini membuat anggota diagonal jembatan
truss Howe dalam kompresi, sementara anggota web vertikal dalam
ketegangan.
4. K-truss, Desain K-Truss adalah varian dari desain Parker truss. Parker,
pada gilirannya, berasal dari rangka Pratt. Ide rangka K adalah
memecah anggota vertikal menjadi bagian-bagian yang lebih kecil. Ini
karena anggota vertikal dalam kompresi. Semakin pendek anggota,
semakin bisa menahan tekuk dari kompresi. Kerangka K, mungkin
karena kerumitannya, tidak menjadi sangat populer di Amerika
Serikat.
10
2.2 Jenis Baja Struktural
Merupakan struktur yang terbuat dari kombinasi terorganisir dari baja
struktural yang diatur dan dirancang khusus untuk memenuhi kebutuhan arsitektur
dan teknis pemakai. Jenis struktur ini banyak digunakan dalam proyek konstruksi
berskala menengah dan besar (pre-engineered building) oleh kegunaan fitur baja
itu sendiri. Struktur baja meliputi sub-struktur atau bagian dalam sebuah bangunan
yang terbuat dari baja struktural. Baja struktural adalah bahan konstruksi baja yang
Gambar 2.5, Berbagai tipe rangka batang/truss Jembatan. (a) Warren truss (dengan batang
atas rangka lurus); (b) Warren Truss (dengan batang atas rangka lengkung); (c) Warren Truss
dengan batang vertikal; (d) Prutt truss; (e) Howe truss; dan (f) K-truss (Chen Wai-Fah dan
Lian Duan, 2000)
a b
Gambar 2.6, Jenis Baja Struktural. (a) Bentuk Baja Canai Dingin (cold-forming); (b) Bentuk
Baja Canai Panas (hot-rolling) (lubisald, 2002)
11
dibuat dengan bentuk dan komposisi kimia tertentu sesuai dengan spesifikasi pada
proyek tersebut. Bahan utama dari baja struktural adalah besi dan karbon. Mangan,
logam campuran, dan beberapa zat kimia tertentu juga ditambahkan pada besi dan
karbon untuk menambah kekuatan dan ketahanan.
2.3 Material Baja Canai Dingin
Dalam perkembangan dunia konstruksi saat ini material baja canai dingin
merupakan suatu pilihan yang dapat digunakan dalam konstruksi. Baja canai dingin
itu sendiri merupakan material yang lebih ringan dari baja pada umumnya karena
memiliki ketebalan yang tipis.
Dalam proses pembuatannya baja dipotong tipis dan terbuat dari baja
murni yang kemudian dibentuk menggunakan mesin roll-forming. Pada prosesnya
dilakukan dalam kondisi dingin sehingga disebut baja canai dingin. Proses rolling
kompres dan membentang baja, pemberian gaya atau tegangan terjadi dalam proses
tersebut. Sedangkan kekakuan didapat dari proses memberi tekukan (pemberian
gaya) itulah sebabnya mengapa baja ringan mempunyai mutu tinggi. Sedangkan
baja yang biasa dibentuk dalam keadaan masih panas dinamakan baja canai panas.
Untuk perkembangannya sendiri material baja cnai dingin berkembang
cukup pesat. Dalam dunia konstruksi sendiri material baja canai dingin mulai
digunakan untuk pembangunan tidak hanya sebgaia struktur sekunder namun juga
sebagai struktur primer seperti yang dilakukan di Amerika karena memiliki tingkat
efisien yang cukup tinggi.
Tingkat efisiensi yang tinggi dari material baja canai dingin yang
merupakan keunggulan dari material tersebut seperti material yang cukup ringan
jika dibandingkan dengan material pada umumnya yang sering digunakan seperti
beton, baja, dan kayu. Material baja canai dingin juga terbilang murah dan mudah
untuk didapatkan serta memiliki tingkat pengerjaan yang mudah sehingga dapat
mempercepat pross pengerjaannya.
Untuk itu material baja canai dingin merupakan material pengganti yang
cukup baik untuk digunakan kedepannya sebagai bahan pengganti ataupun sebagai
bahan utama dalam proyek konstruksi.
12
2.3.1 Sifat Mekanis Baja Canai Dingin
Struktur baja canai dingin itu sendiri memiliki karakteristik seperti
tegangan kuat tarik, kuat leleh maupun daktilitas atau lentur yang sudah diatur
dalam SNI 7971:2013 tentang Struktur Baja Canai Dingin. Kekuatan yang dimiliki
oleh baja yang membuat terhambanya regangan plastis sebelum terjadinya patah
disebut juga daktilitas. Kuat minimum canai dingin mengacu pada SNI 7971:2013.
Kekuatan minimum baja yang tercantum dalam SNI 7971:2013 sesuai dengan AS
1397 disajikan dalam tabel berikut,
2.3.2 Tegangan Regangan Baja Canai Dingin
Dalam proses pabrikasi baja canai dingin yang bertujuan meningkatkan
kekuatan Tarik dan mengurangi daktilitas maka dilakukan dengan membentuk
lembaran baja hingga menghasilkan regangan pada kisaran strain hardening.
13
2.4 Jembatan Pejalan Kaki
Pada bab ini akan dibahas mengenai jembatan khusus pejalan kaki untuk
melewati rintangan seperti sungai. Karena itu, perlu adanya perencanaan khusus
untuk jembatan pejalan kaki untuk keselamatan dan kenyaman pejalan kaki itu
sendiri. Mengacu pada Footbridges Manual for Construction at Community and
District Level (2004), Lebar jembatan yang diharuskan yaitu :
a. Lebar 1,4 meter, khusus pejalan kaki maupun sepeda serta hewan untuk
membawa barang.
b. Lebar 2,1 meter, dikhususkan untuk pejalan kaki maupun kendaraan
ringan.
Pedoman ini juga menyebutkan bahwa hanya satu kendaraan yang
diperbolehkan melintas agar jembatan tetap aman. Berikut disajikan gambar agar
lebih mudah dipahami. Standar lebar jembatan yang disesuaikan dengan tipe
pengguna.
Gambar 2.7, Efek Strain Hardening dan Straing Aging pada Karakteristik Tegangan
Regangan.( Wei-Wen Yu dan Laloube, 2010)
14
2.5 Jembatan Rangka Baja Canai Dingin Pejalan Kaki
Pada perancangan kali ini hanya berfokus pada jembatan rangka baja canai
dingin pejalan kaki sehingga material baja canai dingin dapat digunakan sebagai
material utama dari jembatan tersebut. Karena baja canai dingin memiliki berat
yang ringan dan cara pengerjaan yang mudah sehingga dapat mempercepat proses
konstruksi.
Gambar 2.9, Standar Lebar Jembatan yang Disesuaikan dengan Tipe Pengguna
(Footbridges Manual for Construction at Community and District Level, 2004)
Gambar 2.8, Standar Lebar Jembatan yang Direkomendasikan
(Footbridges Manual for Construction at Community and District Level, 2004)
15
Karena material baja canai dingin memiliki ketebalan material yang tipis
sehingga tidak mampu menahan beban yang besar, oleh karena itu fungsi dari
jembatan itu sendiri hanya ditujukan bagi pejalan kaki dan kendaraan ringan.
2.5.1 Komponen Jembatan Rangka Baja Canai Dingin
Ada dua macam komponen struktur yaitu komponen atas atau
superstruktur berupa plat lantai, deck, serta rangka utama jembatan dan komponen
bawah atau sub struktur berupa komponen pendukung bagian tengah jembatan,
abutmen dan pondasi jembatan.
2.5.2 Pembebanan Jembatan Rangka Baja Canai Dingin Pejalan Kaki
Pada proses perancangan struktur jembatan diperlukannya penentuan
terhadap beban-bena yang bekerja pada struktur. Untuk penentuan beban tersebut
dilakukan dengan cara pendekatan dan asumsi beban yang akan bekerja. Setelah
mendapatkan beben yang akan bekerja maka dilakukan kombinasi pembebanan
dengan beben yang telah diperoeh sebelumnya dan diambil yang terbesar untuk
proses analisan pembebanan pada struktur.
Gambar 2.10, Jembatan Canai Dingin Deck Type Truss
16
Penentuan pembebanan pada proses perencanaan disesuaikan dengan
peraturan SNI 1725-2016 mengenai Standar Pembebanan Untuk Jembatan,
dan Surat Edaran Menteri Pekerjaan Umum No. 02/SE/M/2010 tentang
Pedoman Perencanaan dan Pelaksanaan Konstruksi Jembatan Gantung
Untuk Pejalan Kaki, dimana tentunya beban-beban yang tertera pada peraturan
tersebut akan dipilah mana yang akan digunakan kemudian akan di analisa dengan
menggunakan program bantu Staad Pro V8i.
Jembatan yang dibangun harus mampu menahan gaya-gaya beban luar
yang bekerja. Secara garis besar, pembebanan pada jembatan dibagi menjadi empat,
yakni beban tetap atau beban mati, beban lalu lintas atau beban hidup dan aksi
lingkungan seperti beban angin dan beban gempa serta beban khusus.
1. Beban Tetap
a. Beban mati berupa berat sendiri dari struktur tersebut.
b. Beban mati tambahan berupa berat non struktur yang tidak termasuk berat
dari struktur.
c. Gaya akibat susut dan rangkak beton. (karena material yang digunakan adalah
material baja canai dingin maka untuk beban ini tidak diperhitungkan).
d. Tekanan tanah. (karena pada perancangan ini hanya membatasi pada struktur
atas sehingga tekanan tanah tidak diperhitungkan).
2. Beban Lalu Lintas
a. Beban lajur “D”. (karena hanya diperuntukkan untuk pejalan kaki sehingga
beban ini tidak diperhitungkan).
b. Beban truk “T”. (karena hanya diperuntukkan untuk pejalan kaki sehingga
beban ini tidak diperhitungkan).
c. Gaya rem. (karena hanya diperuntukkan untuk pejalan kaki sehingga beban
ini tidak diperhitungkan).
d. Beban pejalan kaki.
e. Beban kendaraan ringan.
17
3. Aksi Lingkungan
a. Beban angin.
b. Beban gempa. (Beban ini tidak diperhitungkan).
c. Gaya akibat suhu. (Beban ini tidak diperhitungkan, namun untuk
mengantisipasi pemuaian dan penyusutan akibat suhu, elemen tumpuan di
desain menggunakan tumpuan sendi dan rol).
4. Beban Khusus
a. Gaya prategang. (karena material yang digunakan adalah material baja canai
dingin maka untuk beban ini tidak diperhitungkan).
b. Gaya tumbukan. (Beban ini tidak diperhitungkan karena jembatan
diasumsikan terletak pada posisi yang aman terbebas dari tumbukan).
2.5.3 Beban Tetap
Beban tetap yang digunakan dalam jembatan baja canai dingin ini yaitu
berat sendiri dari jembatan tersebut atau beban mati dan beban mati tambahan
seperti ralling jembatan yang berfungsi sebagai pengaman.
a. Beban Mati
Beban mati yang dimaksudkan ialah berat dari struktur jembatan itu
sendiri meliputi batang, sambungan, dan sambungan plat. Beban ini
didasarkan berdasar berat jenis bahan, yakni bahan baja canai dingin
dengan berat jenis 7850 kg/m3.
Gambar 2.11, Pengelompokan Beban pada Jembatan
18
b. Beban Mati Tambahan
Untuk beban mati tambahan berupa railing mengacu pada panduan
kompetisi jembatan Indonesia yaitu sebesar 10 kg.
2.5.4 Beban Hidup (Beban Lalu Lintas)
Beban lalu lintas rencana yang berupa beban pejalan kaki sebesar 500
kg/m dan beban kendaraan ringan sebesar 2000 kg.
Tabel 2.2, Faktor Beban Mati
Tabel 2.3, Faktor Beban Mati Tambahan
Tabel 2.4, Faktor Beban Lalu Lintas
19
2.5.5 Beban Uji
Karena perencanaan komponen sambungan pada jembatan ini mengacu
pada kompetisi jembatan Indonesia sehingga pembebanan yang digunakan pada
perancangan adalah beban yang ada pada peraturan kompetisi jembatan Indonesia
ke- 14 yaitu beban titik di ½ bentang sebesar 400 kg.
2.6 Penampang Baja Canai Dingin
Penampang canai dingin dibagi menjadi beberapa elemen sederhana
diantaranya elemen rata, bengkok, lengkung, dan lain sebagainya.
Gambar 2.12, Simulasi pembebanan
Gambar 2.13, Elemen pada Penampang Canai Dingin
20
Properti penampang dapat menggunakan properti dari tabel yang
disediakan oleh produsen baja canai dingin, namun apabila properti yang digunakan
tidak ada tabel maka properti penampang harus dihitung sendiri. Penampang baja
canai dingin dapat dikombinasikan menjadi gabungan dari penampang tunggal.
2.6.1 Dimensi yang Digunakan
Untuk mengetahui tidak terjadinya tekuk lokal elemen dan sebagai cek
kontrol telah memenuhi batasan yang diijinkan atau belum maka dilakuakan kontrol
terhadap batasan dimensi yang digunakan. Batasan dimensi disajikan dengan rumus
sebagai berikut:
A. Perbandingan maksimal antara lebar dengan tebal (b/t)
Untuk elemen sayap b/t < 60
Untuk elemen badan b/t < 500
Untuk elemen lip b/t < 60
B. Perbandingan maksimal antara tinggi dan tebal (d/tw)
Untuk pelat badan dengan pengaku tumpu dan pengaku
antara d11/tw < 300
Gambar 2.14, Contoh Simetri Penampang
21
Apabila terdaoat plat badan terdiri dari dua lembaran atau
lebih, maka perbandingan antara d11/tw dihitung pada setiap
lembaran.
Pengaku yang dimaksud dalam poin B tersaji pada Gambar 2.15.
2.7 Analisa Struktur Rangka Baja Canai Dingin
Dalam proses analisa struktur rangkabaja canai dingin bertujuan untuk
mendapatkan desain yang efisien terhadap gaya tarik dan tekan yang mengacu pada
beberapa peraturan seperti panduang kompetisi jembatan Indonesia ke-14, SNI
7971 Tahun 2013 mengenai Struktur Baja Canai Dingin, dan panduan lainnya yang
releafan untuk digunakan.
2.7.1 Batang Tarik
Suatu elemen struktur dapat terjadi putus apabila menerima gaya yang
memiliki kecenderungan untuk menarik suatu elemen tersebut. Pada komponen
struktur yang mendapatkan gaya aksial tarik maka perhitungan desain komponen
harus memenuhi persamaan berikut:
Gambar 2.15, Pengaku baja canai dingin. (a) Elemen tekan dengan pengaku; (b) Elemen
tekan tanpa pengaku; (c) Elemen dengan banyak pengaku; (d) Elemen tekan lengkung
22
1. Kapasitas Penampang Nominal Struktur Tarik (Nt)
Kapasitas penampang nominal dari struktur tarik harus diambil nilai
terkecil dari:
Faktor Koreksi untuk Distribusi Gaya (kt)
Nilai kt harus sesuai dengan Pasal 3.2.3 halaman 51 pada SNI 7971:2013.
Nilai faktor koreksi juga dapat dilihat pada Tabel 2.5.
23
2. Diagram Perencanaan Batang Tarik
Alur perencanaan batang tarik dijelaskan melalui diagram alir yang
tersaji pada Gambar 2.15.
Tabel 2.5, Faktor Koreksi untuk Elemen yang Diarsir
24
2.7.2 Batang Tekan
Suatu elemen struktur dapat terjadi tekuk apabila menerima gaya yang
memiliki kecenderungan untuk mendorong suatu elemen tersebut. Pada proses
perencanaan nilai gaya aksial tekan harus dihitung dengan memenuhi persyaratan
sebagai berikut ini:
Gambar 2.16, Diagram Alir Perencanaan Batang Tarik
25
1. Kapasitas Penampang Nominal Struktur Tekan (Ns)
Kapasitas penampang nominal dari struktur tekan diambil dari persamaan:
2. Kapasitas Komponen Struktur Nominal Struktur Tekan (Nc)
Kapasitas komponen struktur nominal dari komponen tekan diambil dari
persamaan:
Tegangan Kritis (fn)
27
3. Diagram Perencanaan Batang Tekan
Alur perencanaan batang tekan dijelaskan melalui diagram alir berikut:
Tidak
Gambar 2.17, Diagram Alir Perencanaan Batang Tekan
28
2.8 Sambungan Baja Canai Dingin
Dalam perancangan kali ini yang mengacu pada kompetisi jembatan
indoneia ke-14 maka jenis sambungan yang digunakan ialah menggunakan sekrup
pada setiap titik join dari struktur tersebut. Sambungan harus di desain sebaik
mungkin sehingga dapat menerima dan menyalurkan gaya yang bekerja pada
struktur secara maksimal.
2.8.1 Sambungan Sekrup
Elemen sambungan merupakan elemen struktur yang terdiri atas
komponen sambungan dan penghubung. Fungsi sambungan adalah mengalihkan
gaya-gaya dari satu komponen struktur ke komponen lain sehingga beban luar yang
bekerja pada struktur dapat diteruskan ke pondasi. Oleh sebab itu, sambungan pada
suatu struktur harus didesain agar konsisten dengan asumsi yang digunakan dalam
analisis struktur.
Dalam praktek nyata pemasangan struktur menggunakan baja canai dingin
biasa digunakan penyambung antar profil menggunakan sekrup tipe self-drilling.
Kemudahan pemasangan serta ketersediaannya dipasaran membuat sekrup lebih
dipilih daripada alat sambung lain seperti las, baut, ataupun paku keling. Untuk tipe
sekrup yang ada dipasaran adalah tipe 12-14x20. Material pembuatan sekrup adalah
head treated carbon steal.
Dalam merencanakan sambungan rangka baja jembatan baja canai dingin
tidak diperkenankan menggunakan sambungan berupa pelat buhul dan material lain
selain material baja canai dingin, sehingga digunakan sambungan dengan material
baja canai dingin yang dimodifikasi dari profil batang itu sendiri dengan
diasumsikan sebagai pelat sambung. Selain itu, sambungan antar batang pada
rangka baja canai dingin menggunakan self drilling screw tipe 12-14x20 (Panduan
KJI 2018).
29
Perhitungan sambungan sekrup baja canai dingin mengacu pada SNI 7971:2013
pasal 5.4 tentang sambungan sekrup baja canai dingin dan berdasarkan teori LRFD
untuk keamanan penyambungan digunakan persamaan sebagai berikut :
1. Sambungan sekrup dalam geser
A. Pemeriksaan Jarak
Sambungan sekrup harus memenuhi syarat,
3,0 mm df 7,0 mm (2.12(1))
Jarak pusat ke tepi > 3df (2.12(2))
Jarak pusat ke pusat > 3df (2.12(3))
Dimana df adalah diameter nominal
Gambar 2.18, Komponen dan notasi Sekrup
Tabel 2.6, Tipe Sekrup
30
B. Tahanan Geser Sekrup
Tahanan geser (ØRn) pada penampang netto harus memenuhi,
2. Sambungan sekrup dalam Tarik
A. Pemeriksaan Jarak
Jarak antara pusat-pusat sekrup harus menyediakan tempat yang cukup
untuk ring sekrup tetapi tidak boleh kurang dari tiga kali diameter sekrup
nominal (df). Jarak dari pusat sekrup dalam tarik ke setiap bagian tepi tidak
boleh kurang dari 3df (SNI 7971:2013 Struktur Baja Canai Dingin).
B. Tahanan Tarik Sekrup
Tarik pada bagian tersambung harus memenuhi,
C. Tarik pada Bagian Tersambung
Tarik pada bagian tersambung harus memenuhi,