Analisis Struktur Lanjut

ANALISIS STRUKTUR LANJUTAN

I.                   Struktur Statis Tertentu dan Struktur Statis Tak Tentu

I.1 Golongan Struktur

              Sebagian besar struktur dapat dimasukkan ke dalam salah satu dari tiga golongan berikut: balok, kerangka kaku, atau rangka batang. Balok (beam) adalah suatu batang struktur yang hanya menerima beban tegak saja, dan dapat dianalisa secara lengkap apabila diagram gaya geser dan diagram momennya telah diperoleh. Kerangka kaku (rigid frame ) adalah suatu struktur yang tersusun dari batang-batang yang dihubungkan dengan sambungan kaku, dan dapat dianalisa secara lengkap apabila telah diperoleh variasi gaya geser, gaya aksial dan momennya di sepanjang rentangan seluruh batang. Rangka batang (truss) adalah suatu struktur yang seluruh batangnya dianggap dihubungkan dengan sendi, sehingga gaya geser dan momen pada seluruh batangnya dihilangkan, dan dapat dianalisa secara lengkap apabila gaya aksial (axial forces) di seluruh batang telah diperoleh.

I.2 Sifat Struktur

Pada dasarnya suatu struktur dapat bersifat statis tertentu atau statis tak tentu. Struktur yang dapat dianalisa dengan menggunakan persamaan statika ( ΣV = 0, ΣH = 0, dan ΣM = 0) disebut struktur statis tertentu. Sedangkan struktur yang tidak dapat dianalisa dengan hanya menggunakan persamaan statika saja disebut struktur statis tak tentu, untuk menganalisa struktur tersebut digunakan persamaan-persamaan bantuan lainnya berupa persamaan sudut penurunan dan persamaan penurunan (deflection).

Untuk membuktikan apakah suatu struktur bersifat statis tertentu atau statis tak tentu, pada balok dan kerangka kaku ditentukan berdasarkan jumlah bilangan reaksi yang ada, sedangkan pada rangka batang ditentukan berdasarkan hubungan antara jumlah batang (m), jumlah titik buhul/joint (j) dan jumlah bilangan reaksi (r).

Diagram gaya geser dan momen suatu balok dapat digambarkan apabila semua reaksi luarnya telah diperoleh. Dalam mempelajari keseimbangan sistem gaya-gaya sejajar yang sebidang telah dibuktikan bahwa dengan prinsip statika hanya dapat dihitung tidak lebih dari dua gaya yang tak diketahui. Untuk balok sederhana, balok menggantung dan balok kantilever seperti pada Gambar 1.1 dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan-persamaan statika, atau ketiga balok tersebut merupakan struktur statis tertentu. Meskipun demikian jika sebuah balok terletak di atas lebih dari dua penyangga atau sebagai tambahan jepitan pada satu atau kedua ujungnya, maka akan terdapat lebih dari dua reaksi luar yang harus ditentukan.

Statika hanya memberikan dua syarat keseimbangan untuk sistem gayasejajar yang sebidang, dan dengan demikian hanya dua reaksi yang dapat diperoleh, semua reaksi lainnya merupakan reaksi kelebihan dan tidak dapat ditentukan dengan hanya menggunakan persamaan statika. Balok dengan reaksi kelebihan semacam ini disebut balok statis tak tentu. Derajat ketidaktentuannya ditentukan oleh jumlah rekasi kelebihan tersebut. Jadi balok pada Gambar 1.2a merupakan struktur statis tak tentu berderajat dua karena jumlah reaksi yang tidak diketahui ada empat dan statika hanya bisa memenuhi dua persamaan keseimbangan, sedangkan balok pada Gambar 1.2b merupakan struktur statis tak tentu berderajat empat, dan balok pada Gambar 1.2c bersifat statis tak tentu berderajat satu karena memiliki lima reaksi dan dua sendi dalam.

Suatu kerangka kaku bertingkat-satu (single-story) akan bersifat statis tertentu jika hanaya ada tiga reaksi luar, karena statika hanya memberikan tiga syarat keseimbangan untuk system gaya sebidang umumnya. Jadi dua rangka- kaku yang terlihat pada gambar 1.3 merupakan struktur statis tertentu. Akan tetapi jika suatu rangka-kaku bertingkat-satu memiliki reaksi luar lebih dari tiga, maka kerangka tersebut bersifat statis tak tentu, dan derajat ketidaktentuannya menjadi sama dengan jumlah reaksi kelebihannya. Dengan demikian, kerangka pada Gambar 1.4a merupakan struktur statis tak tentu berderajat satu, Gambar 1.4b berderajat tiga, dan Gambar 1.4c berderajat lima.

Suatu rangka batang bersifat statis tertentu apabila jumlah gaya yang tak diketahui sekurang-kurangnya ada tiga dan jumlah batang di dalam rangka batang tersebut adalah 2j – r, dimana j adalah banyaknya titik hubungnya dan r merupakan jumlah reaksinya. Jika m adalah jumlah batangnya, maka kondisi statis tertentu ditentukan dengan persamaan :

m = 2j – r …..… (1.1a)

Rangka batang pada Gambar 1.5a dan gambar 1.5b bersifat statis tertentu stabil. Sedangkan rangka batang pada Gambar 1.5c bersifat statis tak tentu tak stabil. Apabila suatu rangka batang memiliki sekurang-kurangnya tiga reaksi yang tak diketahui dan jumlah batangnya (m) lebih besar dari 2j- r, maka akan bersifat statis tak tentu, dengan derajat ketententuannya yakni menjadi : i = m – (2j – r). ………………….……………………1.1b)

Rangka batang statis tak tentu pada Gambar 1.6a berderajat dua, karena mempunyai empat reaksi yang tak diketahui dan hanya ada dua persamaan keseimbangan. Gambar 1.6b dan Gambar 1.6c berderajat tiga, karena ada tiga batang kelebihan (m = 3j) ditambah tiga reaksi yang tidak diketahui, sedangkan persamaan keseimbangan yang ada hanya tiga saja.

Rangka batang umumnya terdiri dari serangkaian segitiga-segitiga yang berhubungan satu sama lain seperti terlihat pada Gambar 1.7. Dalam kasus Gambar 1.6 Rangka Batang Statis Tak Tentu ini segitiga pertama membutuhkan tiga buah titik hubung dan tiga buah batang, sedangkan setiap segitiga berikutnya membutuhkan dua batang tambahan, dan hanya satu titik hubung tambahan, sehingga: m–3=2(j–3) atau m=2j–3. ………………………(1.1c)

I.3 Syarat-Syarat Bentuk Struktur

Dari pembahasan sebelumnya dapat dilihat bahwa menganalisa struktur statis tak tentu diperlukan syarat-syarat tambahan yang sama banyak dengan reaksi kelebihannya sebagai tambahan untuk statika, atau banyaknya syarat-syarat “tak statis” harus sama dengan derajat ketidaktentuannya. Syarat-syarat tambahan tersebut pada umumnya dipenuhi oleh bentuk struktur yang terdeformasi. Misalnya balok pada Gambar 1.2a meskipun biasanya dipandang sebagai balok kontinu, dapat juga dipandang sebagai sebuah balok menggantung dan ditumpu hanya di titik A dan D serta dibebani oleh gayagaya P1, P2, P3, P4, R2 dan R3. Syarat-syarat bentuk yang harus dipenuhi oleh kurva elastis balok menggantung adalah bahwa lendutan di B dan C harus sama dengan nol. Kedua syarat bentuk tersebut bersama dengan syarat statika memberikan syarat-syarat yang diperlukan untuk menentukan nilai R1, R2, R3 dan R4. Balok yang sama dapat juga dipandang sebagai balok menggantung yang ditumpu hanya di B dan C serta dibebani oleh gaya-gaya P1, P2, P3, P4, R2, dan R3. Kemudian R1 dan R4 ditentukan dulu dengan syarat-syarat bentuknya, yakni lendutan di A dan D harus sama dengan nol.

Kerangka kaku pada Gambar 1.4b dapat dianggap sebagai kerangka yang terjepit di A dan bebas di B, serta dibebani gaya-gaya P1, P2, R4, R5 dan R6. Syarat bentuknya adalah bahwa garis singgung pada kelengkungan elastisnya di B harus tetap vertical dan lendutan horisontal dan vertikalnya di B harus sama dengan nol. Dengan cara lain kerangka kaku ini dapat dipandang sebagai bersendi di A dan ditumpu oleh rol di B, serta dibebani gaya-gaya P1, P2, R1, R4 dan R5. Syarat bentuknya adalah bahwa garis singgung pada lengkungan elastisnya harus tetap vertikal, baik di A maupun di B, serta lendutan horisontalnya di B harus sama dengan nol.

I.4 Cara-Cara Analisa Struktur Statis Tak Tentu

Cara yang paling mendasar dan umum yang digunakan untuk menganalisa struktur statis tak tentu adalah metode deformasi konsisten yang disebut juga dengan metode gaya. Urutan langkahnya adalah; pertama-tama menentukan stuktur statis tak tentu dasar melalui penyesuaian struktur statis tak tentu yang diberikan dengan menghilangkan kelebihan-kelebihannya dan menganggap kelebihan-kelebihan tersebut sebagai beban-beban yang bekerja pada struktur tertentu dasar itu. Syarat-syarat bentuknya akan selalu sama banyaknya dengan banyaknya kelebihan. Suatu system yang terdiri dari i persamaan serempak, dimana i adalah derajat ketidaktentuan yang dapat ditetapkan menurut syarat-syarat bentuk ini dengan kelebihan-kelebihan tersebut sebagai besaran yang tak diketahui. Bila persamaan-persamaan ini diselesaikan dan kelebihan-kelebihan itu diperoleh, maka persamaanpersamaan ini dapat dikembalikan ke struktur tak tentu yang diberikan dan reaksi-reaksi selebihnya diselesaikan dengan persamaan-persamaan statika. Harus diingat bahwa ada beberapa cara untuk memilih struktur tertentu dasar seperti yang telah dijelaskan dalam syarat-syarat bentuk.

Sebelum cara di atas digambarkan, perlu terlebih dahulu mengenal berbagai cara menentukan defleksi (rotasi garis singgung) dari balok, kerangka, dan rangka batang statis statis tertentu. Defleksi balok, kerangka dan rangka batang tergantung pada ukuran batang-batang yang terdapat pada strukturnya. Oleh karena itu sebelum menganalisa suatu struktur statis tak tentu, ukuran dari batang-batangnya harus terlebih dahulu dimisalkan, meskipun dalam kebanyakan hal yang diperlukan hanya ukuran batang relatif saja. Prosedur merancang sebuah struktur tersebut dimisalkan terlebih dahulu, kemudian dianalisa, lalu rancangannya diperbaiki, kemudian dianalisa kembali, dan seterusnya sampai struktur yang dimisalkan terakhir tidak memerlukan perbaikan lagi. Pada umumnya struktur yang dimisalkan pertama sedikit atau sama sekali tidak memerlukan perbaikan lebih lanjut sesudah sekali dianalisa. Metode deformasi konsisten merupakan satu-satunya cara untuk menganalisa rangka batang statis tak tentu atau struktur majemuk, dimana beberapa batangnya terutama mengalami tegangan tekuk. Untuk menganalisa balok atau kerangka statis tak tentu ada cara-cara lain yang agak lebih singkat dari metode deformasi konsisten, yaitu metode persamaan tiga momen yang digunakan untuk menganalisa balok statis tak tentu, metode defleksi kemiringan (slope deflection method) dan metode distribusi momen (cross) yang digunakan untuk menganalisa balok dan kerangka kaku statis tak tentu.

Keuntungan dan Kerugian Struktur Statis Tak Tentu

 Keuntungan :

1.      1.Gaya dalam yang lebih rendah. Gaya dalam maksimum pada struktur statis tak tentu secara umum lebih rendah dibandingkan dengan gaya dalam pada struktur statis tertentu.

2.      Lebih kaku.

3.      Struktur statis tak tentu bisa mendistribusikan gaya jika terjadi beban berlebih.

4.      Struktur statis tak tentu bisa mendistribusikan gaya jika terjadi beban berlebih. Sebagai contoh adalah struktur jembatan seperti pada gambar berikut. Gambar (a) menunjukkan jembatan direncanakan menggunakan struktur statis tertentu sedangkan gambar (b) menunjukkan jembatan direncanakan dengan struktur statis tak tentu. Jika terjadi kegagalan struktur pada pilar B, maka jembatan (a) akan langsung roboh, sedangkan jembatan (b) masih stabil.

Kerugian :

1.Timbul gaya dalam akibat terjadinya penurunan tumpuan/pondasi.

2.Timbul gaya dalam akibat perubahan suhu atau ketidaktepatan dalam fabrikasi.

Prinsip Dasar Analisa Struktur

1.      Prinsip keseimbangan : berhubungan dengan gaya yang bekerja pada struktur

2.      Kondisi keselarasan (Compatibility conditions) : berhubungan dengan lendutan / perpindahan struktur

3.      Hubungan gaya – perpindahan : karakteristik penampang (E, I, A) yang menghubungkan perilaku gaya dan perpindahan pada struktur.

·         Pada struktur statis tertentu, persamaan keseimbangan digunakan untuk mencari gaya reaksi tumpuan dan gaya dalam, kemudian hubungan gaya – perpindahan dan kondisi kompatibilitas digunakan untuk menentukan perpindahan/lendutan struktur.

·         Pada struktur statis tak tentu, persamaan keseimbangan saja tidak dapat digunakan untuk menentukan gaya reaksi dan gaya dalam. Ketiga prinsip dasar diatas harus digunakan bersama-sama untuk dapat menentukan gaya reaksi dan gaya dalam yang terjadi.

Metode Penyelesaian Struktur STT

1.      Metode Gaya (Consistent Deformation)

2.      Metode Persamaan Tiga Momen

3.      .Metode Ubahan Sudut (Slope Deflection)

4.      Metode Distribusi Momen (Cross)

5.      Metode Matriks

Balok Statis Tak Tentu

Dalam semua persoalan statis tak tentu persamaan-persamaan keseimbangan statika masih tetap berlaku. Persamaan-persamaan ini adalah penting, tetapi tidak cukup untuk memecahkan persoalan tak tentu. Berbagai persamaan tambahan dibuat berdasarkan pertimbangan geometri dari deformasi. Dalam sistem struktur dari kebutuhan fisis, unsur-unsur atau bagian-bagian tertentu haruslah berdefleksi bersama, memelintir bersama, memuai bersama, dan seterusnya atau sama-sama tetap stasioner. Dengan merumuskan pengamatanpengamatan demikian secara kuantitatif memberikan persamaan-persamaan tambahan yang diperlukan.

Suatu balok dikatakan statis tak tentu bila jumlah reaksi-reaksi pada balok yang tidak diketahui melebihi jumlah persamaan kesetimbangan yang digunakan pada sistem. Sehingga persamaan kesetimbangan perlu dilengkapi dengan menambahkan persamaan dari deformasi balok.

Pada sistem statis tertentu (statically determinate) hanya terdapat pembebanan secara aksial pada struktur sederhana.

Tipe-tipe Balok Statis Tak Tentu

Beberapa tipe umum dari balok statis tak tentu seperti terlihat pada Gambar 11.11 Walaupun perubahan luas susunan yang terdapat di lapangan, empat diagram berikut akan menggambarkan secara alamiah sebagai sistem tak tentu. Pada balok di bawah ini reaksi dari setiap bentuk adalah sebuah sistem gaya pararel dan oleh karena itu terdapat dua persamaan keseimbangan statis. Demikian penentuan reaksi di setiap kasus yang memerlukan penggunaan persamaan tambahan yang berasal dari deformasi dari balok.

Persamaan pelengkap pada tipe balok gambar a dan c, dapat dicari dengan menggunakan teorema momen-area. Tipe balok b lebih baik dengan menggunakan metode fungsi singularitas. Sedangkan pada tipe-balok d biasanya menggunakan teorema tiga-momen. Sebagai contoh perhatikan gambar berikut:

Dimana,

MA,MB,MC = momen pada titik A, B dan C

L1, L2 = panjang spin

A1,A2 = luas diagram momen

1 a , 2 b = jarak centroid pada masing-masing diagram momen dari A sampai C