Tulisan ini adalah kelanjutan dari thread sebelumnya  di sini. Perlu dipisahkan karena akan ada materi baru yang disampaikan, yang menurutku tidak banyak dibahas secara mendetail di text-books yang sudah ada.

pendapat umum

Sebagai pengantar, ada baiknya aku ambil komentar pembaca dari thread sebelumnya , sbb:

sianip // 25 Juni 2010 pada 04:28 |

Topiknya menarik, pak Wir.. menurut saya, mungkin karena slip critical sendiri istilahnya baru muncul di spesifikasi RCSC mengenai Baut ASTM A325 & A490 tahun 1985 (dipakai juga oleh ASD tahun 89).

Spesifikasi tersebut secara “garis besarnya” membagi joint typenya menjadi snug tight joint (utk mekanisme tumpu) dan slip critical joint utk baut yg dibebani geser atau kombinasi geser dan tarik. Tapi di spesifikasi RCSC 2004 (paling terbaru ?) menambah 1 lagi yaitu pretensioned joint. Hampir sama dengan slip critical, hanya pretensioned joint tidak terlalu memperhatikan faying surface (bidang kontak steel dengan steel yang dijoint dengan baut) jadi masih memperbolehkan slip kalau terjadi.

Saya kurang setuju untuk pernyataan bahwa slip critical tidak dikenal untuk gedung. Karena untuk bangunan pabrik (masuk klasifikasi gedung bukan ya?) yang berisi equipment yang menghasilkan vibrasi dan reverse load harus didesain dgn slip critical utk meningkatkan serviceability dan juga mengurangi kemungkinan keruntuhan akibat fatique.

Kadang2 juga sambungan kolom gedung dan bracing juga didesain utk slip critical utk menghindari deformasi berlebihan pada gedung, jadi tergantung kriteria desain yang dikehendaki oleh engineernya.

Btw pak Wir, sepertinya textbook struktur baja seperti Salmon (edisi LRFD) sudah sangat jelas sekali mendeskripsikan (sampai ke freebody diagramnya) jenis joint yang tumpu atau slip kritikal…

bgitu pak pendapat dari saya. Kalau mungkin yg magister belum kenal istilah2 tersebut, mgkn karena dulu S1 nya sebelum tahun 85 pak. CMIIW

Komentar pak Sianip terhadap artikel saya sebelumnya cukup berbobot. Saya kira tidak sembarang orang yang tidak pernah membaca tentang hal itu dapat menanggapi seperti itu, ditambah dengan rujukan-rujukannya yang cukup bagus. Tetapi terus terang, dari kesamaan persepsi dengan yang ada dalam pemikiranku, aku merasa ada beberapa dari pernyataannya yang membuat bingung, seperti misalnya:

• slip critical joint utk baut yg dibebani geser atau kombinasi geser dan tarik
• pretensioned joint. Hampir sama dengan slip critical, hanya pretensioned joint tidak terlalu memperhatikan faying surface . . . . jadi masih memperbolehkan slip kalau terjadi . . .
• slip critical utk menghindari deformasi berlebihan pada gedung.

Jika saya saja bingung, maka saya yakin akan banyak teman-teman yang lain juga bingung. Jadi ada baiknya aku akan menceritakaan tentang sambungan baut mutu tinggi secara penuh dahulu, sehingga akan terlihat mengapa ke-3 item di atas dapat membingungkan.

sistem sambungan baja

Pemahaman tentang sambungan pada suatu perancangan struktur baja adalah sangat penting, dan merupakan bagian yang kritis, yang perlu mendapat perhatian seksama. Kompleksitas suatu struktur baja ditentukan oleh sistem sambungan yang digunakan. Jadi untuk proyek struktur baja yang besar, yang memang secara geometri cukup kompleks, maka jenis sambungan yang digunakan adalah standar (yang telah teruji), sekuat profil. Sepintas boros, tetapi itulah cara mengeliminasi besarnya resiko yang kemungkinan timbul.

Ada dua sistem sambungan yang saat ini telah menjadi andalan, dan telah terbukti sukses, yaitu [1] sistem sambungan dengan teknologi las, dan [2] sistem sambungan dengan baut mutu tinggi.

Teknologi las dapat dianggap suatu sistem sambungan yang cukup perfect karena dapat menyambung baja menjadi dua bagian yang homogen, tetapi sistem tersebut memerlukan lokasi kerja yang tertentu, yang umumnya dapat dipenuhi di bengkel kerja dengan pekerja las yang khusus. Sehingga keterbatasan sambungan las untuk proyek-proyek konstruksi adalah tergantung dari seberapa besar komponen utuh struktur yang dapat diangkut dari bengkel kerja tersebut ke site project.

Jadi sistem sambungan dengan baut mutu tinggi adalah solusi akhir untuk menggabungkan komponen-komponen besar yang dapat diangkut tersebut untuk akhirnya dirakit / disatukan menjadi struktur yang sebenarnya. Dalam praktek bisa saja ada las di lapangan, tetapi untuk struktur yang serius kondisi tersebut sebisa mungkin dihindari karena mutu sambungan las tergantung pelaksanaan di lapangan.

Untuk menunjukkan contoh pemakaian ke dua sistem sambungan pada proyek real, maka ada baiknya kita lihat salah satu foto Kerja Praktek mahasiswa UPH :

Gambar 1. Sdr Tejo dan sdri Mita (teknik sipil UPH angkatan 2007) berpose di depan struktur rangka baja untuk proyek pembangkit energi PLN di salah satu daerah di Propinsi Banten.

Perhatikan pada rangka baja di belakangnya, yang berwarna coklat itu adalah tempat sambungan lapangan dengan sistem sambungan baut mutu tinggi. Perhatikan, penempatan sambungan baut tersebut hanya secukupnya (seminimal mungkin) dimana sisanya mengandalkan sambungan las. Juga mengapa bentuknya mirip satu dengan yang lainnya, yaitu berulang, itukah yang dimaksud dengan sambungan baut standar. (?)

sambungan baut mutu tinggi

Tentu kita tidak membahas sistem sambungan las, yang tergantung teknologi yang digunakan dan cara pengerjaannya. Pada umumnya untuk sistem rangka seperti Gambar 1 di atas, maka jika digunaan dua sistem sepert itu yang kritis akan terjadi pada sistem sambungan bautnya.

Oleh karena itu mari kita membahas tentang baut mutu tinggi, yang terdiri dari komponen-komponen sebagai berikut.

Gambar 2. Komponen-komponen alat sambung baut mutu tinggi.

Untuk konstruksi baja maka standar mutu baut mutu tinggi banyak memakai  ASTM A325 atau ASTM A490, yang mana kode standarnya biasa tercantum pada kepala baut (hex head).

Gambar 3. Kode mutu pada baut mutu tinggi.

Kecuali baut mutu tinggi di atas, ada juga baut biasa / baut mesin / baut hitam. Adapun standar mutu baut biasa adalah  standar ASTM A307. Jenis baut seperti ini tidak diperbolehkan untuk bangunan struktur utama.

Dengan mengetahui alat sambung baut maka perlu juga mengetahui kekuatan baut tersebut, khususnya terhadap arah gaya yang bekerja padanya. Secara prinsip baut lebih kuat menerima gaya tarik aksial dibanding gaya geser. Itu dapat dilihat dari tabel AISC berikut:

Meskipun kuat tarik lebih besar 1.5 kali dibanding kuat geser, tetapi karena detail sambungan dan kemudahanan pemasangannnya menyebabkan baut diorientasikan tarik tidak mudah diusahakan. Sebagai gambaran dapat dilihat dari suatu sambungan balok-kolom sbb:

Gambar 4 Beberapa detail sambungan beam-column (Geschwindner 2008)

Perhatikan Gambar 4, dari empat variasi sambungan dengan baut untuk balok-kolom, maka alat sambung baut yang dapat diorientasikan hanya menerima gaya tarik hanya detail (h), yaitu end-plate. Penggunaan alat sambung baut untuk detail yang lain mengandalkan geser terjadi pada baut, yang tentunya tidak akan seoptimal jika tarik. Meskipun demikian itu dipilih karena kemudahan dalam pembuatan detail dan pemasangan sambungan tersebut.

sistem sambungan geser

Cara penempatan baut pada suatu detail sambungan adalah suatu hal yang penting. Hal ini menyangkut kemudahan detail sambungan di konstruksi dan optimalisasi penggunaan alat sambung baut tersebut. Karena alat sambung baut mutu tinggi relatif mahal dibanding las, dan karena sistem yang mudah dikonstruksi adalah sistem sambungan geser, yaitu detail sambungan yang menyebabkan baut menerima gaya geser.

Gambar 5. Typical sistem sambungan geser

Pada gambar 5 terlihat siku yang disambung dengan pelat-pelat dikanan-kirinya dan disatukan dengan alat sambung baut mutu tinggi. Siku tersebut jelas tidak akan dibebani tegak lurus batangnya (momen) tetapi searah sumbu aksial siku, dengan demikian baut-baut tersebut semunya menerima gaya geser.

mekanisme kerja sambungan geser

Jika sistem sambungan seperti pada gambar 5 digunakan baut mutu tinggi maka mekanisme kerjanya tergantung dari bagaimana baut mutu tinggi tersebut dikencangkan. Berbeda dengan baut biasa,  jika digunakan baut mutu tinggi maka dapat diberikan pre-tensioning.

Baut mutu tinggi yang diberi pre-tensioning dapat menghasilkan [a] mekanisme slip kritis, dan [b] mekanisme tumpu. Keduanya tentu tidak terjadi secara bersama-sama, tergantung dari gaya sambungan yang bekerja. Meskipun memakai baut mutu tinggi, tetapi tidak diberi pre-tensioning maka sambungan hanya dapat menghasilkan mekanisme tumpu saja.

Apa itu mekanisme slip-kritis dan apa mekanisme tumpu maka ada baiknya dijelaskan dalam bentuk gambar.

Gambar 6. Mekanisme slip-kritis pada sistem sambungan geser (Dewobroto 2009).

Illustrasi di atas sengaja saya ambil dari Disertasi saya, maklum gambar free-body dari Salmon menurutku kurang jelas. Jadi karena aku juga drafter, maka aku gambar sendiri. 🙂

Untuk bisa memahami mekanisme di atas maka perlu dipahami bahwa lubang baut pada pelat adalah lebih besar dari pada diameter baut tersebut. Ini adalah ketentuan AISC sebagai kompromi untuk toleransi pelaksanaan. Jadi pada gambar di atas, shank baut dapat terpisah (gap) dari lubang baut di pelat. Jadi pelat atas dan pelat bawah dapat tersambung karena adanya gaya clamping dari pretensioning. Gaya clamping menghasilkan tahanan friksi pada bidang kontak efektif permukaan pelat yang disambung. Dalam hal ini tentu saja kondisi permukaan pelat sangat menentukan. Itulah mengapa pada Gambar 1, pada sambungan warnanya berbeda dengan yang lain (belum boleh di cat).

Jika gaya aksi-reaksi pada sambungan diperbesar dan melebihi tahanan friksi pada bidang kontak efektif maka shank baut (badan baut) akhirnya bergerak menuju pelat sambungan. Proses pergeseran dalam sistem sambungan tersebut disebut SLIP.

Pada saat SLIP mulai terjadi maka mekanisme kerja slip-kritis berakhir (dianggap hilang kekuatannya) dan diganti oleh mekanisme tumpu yang gambarannya adalah sebagai berikut.

Gambar 7. Mekanisme tumpu pada sistem sambungan geser (Dewobroto 2009)

Jadi mekanisme tumpu baru terjadi jika telah terjadi SLIP, baik oleh pelat sisi atas dan pelat sisi bawah. Adanya deformasi yang disebut SLIP inilah yang arahnya tergantung dari beban yang bekerja maka untuk kasus-kasus struktur tertentu seperti jembatan menjadi suatu kelemahan. Pada komponen sambungan yang menerima beban bolak-balik maka dapat terjadi kegagalan akibat fatig, bahkan jika pengencangan tidak baik maka bautnya bisa lepas. Itulah mengapa harus disyarakat beban yang bekerja tidak boleh melebihi kondisi yang menyebabkan SLIP. Itulah mengapa disebut sambungan slip-kritis.

Pada mekanisme tumpu ini maka semua komponen akan bekerja sampai ultimate, dan kekuatan sambungan ditentukan oleh komponen yang mempunyai kekuatan terkecil sebagaimana terlihat pada illustrasi berikut :

Gambar 8. Berbagai kemungkinan kegagalan akibat mekanisme tumpu

Dari penjabaran secara kronologi di atas maka tentunya dapat dipahami bahwa kedua mekanisme tersebut tidak dapat terjadi secara bersama-sama. Untuk mendapatkan gambaran secara keseluruhan bagaimana suatu sambungan geser dengan baut mutu tinggi yang diberi pre-tensioned bekerja, dapat dilihat kurva perilaku sambungan dari Kulak sbb.

Gambar 9. Perilaku gaya-deformasi sambungan geser yang dibebani (Kulak et.al 2001)

Perhatikan gambar di atas khususnya pada Major slip yang mana terlihat tanda terputus-putus. Kondisi gaya sebesar nol sampai sebelum kurva terputus-putus dapat dikatakan bahwa sambungan memanfaatkan mekanisme slip kritis, selanjutnya setelah terjadi major slip sambungan berubah memanfaatkan mekanisme tumpu.

Jadi dapat juga dikatakan bahwa untuk kapasitas gaya rencana yang sama maka perencanaan dengan mengandalkan mekanisme slip-kritis memerlukan jumlah baut yang lebih banyak dibanding mekanisme tumpu biasa. Lebih mahal gitu lho. Itulah mengapa mekanisme tumpu lebih populer untuk konstruksi gedung yang memang secara nature tidak terlalu signifikan pengaruhnya, apalagi kalau hanya digunakan sebagai strategi memperkaku gedung. Itu cara yang mahal boo.

Saya kira sudah dapat menjadi gambaran sekarang apa itu mekanisme tumpu.

Pretensioning pada baut mutu tinggi

Jadi kata kunci terjadinya mekanisme slip-kritis adalah memberikan gaya pretensioning pada baut mutu tinggi yang digunakan pada sambungan tersebut. Kecuali itu, kondisi permukaan komponen sambung juga sangat menentukan.

Salah satu cara manual dalam memberikan pretensioning baut mutu tinggi dapat dilakukan dengan metode Turn-of-Nut (AISC 2005). Petunjuknya sendiri relatif sederhana, tetapi prakteknya anda bisa lihat sendiri anak-anak UPH 2005 (sekarang sudah alumni)  ketika membantuku sewaktu menyelesaikan disertasi tempo hari. Tidak gampang !

Gambar 10. Pretensioning baut mutu tinggi dengan cara  Turn-of-Nut (Dewobroto 2009)

Dalam foto Rendy (baju biru), Anggi (baju merah), Jerry (baju putih berkacamata), Nata (baju biru), paling kanan Firtz (baju ungu, saat ini sedang ambil S2 bidang Struktur di Kanada).

Ternyata memberikan pretensioining baut mutu tinggi tidak semudah menuliskannya, pada kenyataannya proses tersebut ternyata telah dapat menimbulkan bisnis tersendiri dalam mewujudkannya.

Lain kali jadi cerita lagi ya. 🙂