Gaya dan Beban pada Bangunan

A. GAYA YANG MUNGKIN TIMBUL PADA BANGUNAN TINGGI

Sistem penahan gaya lateral

Pada struktur bangunan tinggi, hal ini penting untuk stabilitas dan kemampuanbya menahan gaya lateral, baik disebabkan oleh angin atau gempa bumi. Beban angin lebih terkait pada massa bangunan.

Gaya External

Gaya external adalah gaya yang berasal dari luar bangunan. Gaya yang berasal dari luar bangunan seperti :

-Gaya angin

-Gempa bumi

Gaya Internal

Gaya internal adalah gaya yang berasal dari dalam bangunan seperti beban bangunan itu sendiri. Beban yang ada pada bangunan terbagi dua yaitu beban mati dan beban hidup.

-Beban hidup : berat manusia, lemari, dan benda benda yang dapat dipindahkan.

-Beban mati : berat pondasi, kolom, dinding, dan sebagainya.

Mengontrol Kuat Geser 1 Arah

Kerusakan akibat gaya geser 1 arah terjadi pada keadaan dimana mula- mula terjadi retak miring pada daerah beton tarik (seperti creep), akibat distribusi beban vertikal dari kolom (Pu kolom) yang diteruskan ke pondasi sehingga menyebabkan bagian dasar pondasi mengalami tegangan. Akibat tegangan ini, tanah memberikan respon berupa gaya reaksi vertikal ke atas (gaya geser) sebagai akibat dari adanya gaya aksi tersebut. Kombinasi beban vertikal Pu kolom (ke bawah) dan gaya geser tekanan tanah ke atas berlangsung sedemikian rupa hingga sedikit demi sedikit membuat retak miring tadi semakin menjalar keatas dan membuat daerah beton tekan semakin mengecil.

Dengan semakin mengecilnya daerah beton tekan ini, maka mengakibatkan beton tidak mampu menahan beban geser tanah yang mendorong ke atas, akibatnya beton tekan akan mengalami keruntuhan. Berikut ini ilustrasinya :

Gambar 1. Kerusakan Pondasi Akibat Gaya Geser 1 arah

Kerusakan pondasi yang diakibatkan oleh gaya geser 1 arah ini biasanya terjadi jika nilai perbandingan antara nilai a dan nilai d cukup kecil, dan karena mutu beton yang digunakan juga kurang baik, sehingga mengurangi kemampuan beton dalam menahan beban tekan.

Gambar 2. Keretakan Pondasi Akibat Gaya Geser 1 arah

Mengontrol Kuat Geser 2 Arah (Punching Shear)

Kuat geser 2 arah atau biasa disebut juga dengan geser pons, dimana akibat gaya geser ini pondasi mengalami kerusakan di sekeliling kolom dengan jarak kurang lebih d/2. Berikut ini ilustrasinya :

Gambar 3. Kerusakan Pondasi Akibat Gaya Geser 2 arah

Beban yang bekerja pada pondasi adalah beban dari reaksi tegangan tanah yang bergerak vertikal ke atas akibat adanya gaya aksi vertikal kebawah (Pu) yang disalurkan oleh kolom. Tulangan pondasi dihitung berdasarkan momen maksimal yang terjadi pada pondasi dengan asumsi bahwa pondasi dianggap pelat yang terjepit dibagian tepi- tepi kolom. Menurut  SNI 03-2847-2002, tulangan pondasi telapak berbentuk bujur sangkar harus disebar merata pada seluruh lebar pondasi.

Perhatikan, meskipun terlihat cukup banyak element vertikal tetapi yangberupa kolom struktur satu, yaitu yang ke dua dari sebelah kanan, yang lain adalah kolom praktis yang benar-benar praktis tidak memberi perlawanan terhadap gaya lateral gempa.

B. PEMBEBANAN PADA BANGUNAN TINGGI

Penyaluran Beban

Pada bagian diatas telah diketahui gaya yang bekerja pada suatu bangunan. Gaya tersebut akan mengalami penyaluran beban. Beban-beban tersebut di antaranya:

1.Beban mati:

Beban mati adalah berat dari semua bagian dari suatu bangunan yang bersifat tetap, termasuk segala bagian tambahan, mesin-mesin serta perlengkapan tetap yang merupakan bagian yang tak terpisahkan dari bangunan itu.

2.Beban hidup:

Beban hidup adalah beban yang sifatnya dapat beubah-ubah atau begerak sesuai dengan penggunaan bangunan (ruangan) yang bukan bagian dari konstruksi bangunan. Beban hidup dapat menopang pada beban mati yang dapat berubah dalam jangka waktu pendek sesuai pergerakan atau pemindahan benda dan dapat juga berubah dalam jangka waktu panjang. Adapun jenis beban hidup yang ada pada bangunan meliputi: manusia, furniture, kendaraan, dan gerakan yang terjadi seperti ledakan.

3.Beban angin:

Beban angin adalah semua beban yang bekerja pada bangunan atau bagian bangunan yang disebabkan oleh selisih dalam tekanan udara. Beban agin diperhitungkan karena angin besar dapat menekan bangunan dan mempengaruhi kekuatannya. Bila kecepatan angin di suatu daerah rata-rata konstan, maka hal ini dapat disebut statis. Apabila perubahannya besar maka termasuk tekanan dinamis. Tekanan dinamis ini dipengaruhi oleh factor-faktor lingkungan seperti kekasaran dan bentuk kerampingan bangunan, dan letak bangunan yang berdekatan satu sama lain.

4.Bebangempa:

Beban gempa adalah semua beban static ekivalen yang bekerja pada bangunan atau bagian bangunan yang menirukan pengaruh dari pergerakan tanah akibat gempa itu. Pengaruh gempa pada struktur ditentukan berdasarkan analisa dinamik, maka yang diartikan dalam beban gempa yaitu gaya-gaya di dalam struktur tersebut yang terjadi oleh tanah akibat gempa itu.

5.Beban additional:

Beban additional adalah beban yang memiliki nilai yang lebih besar dari nilai beban mati atau beban hidup dan merupakan bagian dari struktur yang harus ditinjau. Diantara beban additional adalah tendon air di atas bangunan, kuda-kuda, tangga, dan lift.

Selain beban yang disebutkan diatas ada juga sifat beban yang ada pada bangunan, jenis beban tersebut ialah beban vertical dan beban horizontal

1. Beban Vertikal

Pada struktur post and beam, struktur akan memikul beban beban vertikal dan selanjutnya beban diteruskan ke tanah. Pada struktur jenis ini, balok terletak bebas di atas kolom. Sehingga pada saat beban menyebabkan momen pada balok, ujung-ujung balok berotasi di ujung atas kolom. Jadi, sudut yang dibentuk antara ujung balok dan ujung atas kolom berubah. Kolom tidak mempunyai kemampuan untuk menahan rotasi ujung balok. Ini berarti tidak ada momen yang dapat diteruskan ke kolom,sehingga kolom memikul gaya aksial. Apabila suatu struktur rangka kaku mengalami beban vertikal seperti di atas, beban tersebut juga dipikul oleh balok, diteruskan ke kolom dan akhirnya diterima oleh tanah. Beban itu menyebabkan balok cenderung berotasi. Tetapi pada struktur rangka kaku akan terjadi rotasi bebas pada ujung yang mencegah rotasi bebas balok. Hal ini dikarenakan ujung atas kolom dan balok berhubungan secara kaku. Hal penting yang terjadi adalah balok tersebut lebih bersifat mendekati balok berujung jepit, bukan terletak secara sederhana.

Seiring dengn hal tersebut, diperoleh beberapa keuntungan, yaitu bertambahnya kekakuan, berkurangnya defleksi, dan berkurangnya momen lentur internal. Akibat lain dari hubungan kaku tersebut adalah bahwa kolom menerima juga momen lentur serta gaya aksial akibat ujung kolom cenderung memberikan tahanan rotasionalnya. Ini berarti desain kolom menjadi relatif lebih rumit. Titik hubung kaku berfungsi sebagai satu kesatuan. Artinya, bila titik ujung itu berotasi, maka sudut relatif antara elemen-elemen yang dihubungkan tidak berubah. Misalnya, bila sudut antara balok dan kolom semula 900, setelah titik hubung berotasi, sudut akan tetap 900. Besar rotasi titik hubung tergantung pada kekakuan relatif antara balok dan kolom. Bila kolom semakin relatif kaku terhadap balok, maka kolom lebih mendekati sifat jepit terhadap ujung balok, sehingga rotasi titik hubung semakin kecil.

Bagaimanapun rotasi selalu terjadi walaupun besarannya relatif kecil. Jadi kondisi ujung balok pada struktur rangka kaku terletak di antara kondisi ujung jepit (tidak ada rotasi sama sekali) dan kondisi ujung sendi-sendi (bebas berotasi). Begitu pula halnya dengan ujung atas kolom. Perilaku yang dijelaskan di atas secara umum berarti bahwa balok pada sistem rangka kaku yang memikul beban vertikal dapat didesain lebih kecil daripada balok pada sistem post and beam. Sedangkan kolom pada struktur rangka kaku harus didesain lebih besar dibandingkan dengan kolom pada struktur post and beam, karena pada struktur rangka kaku ada kombinasi momen lentur dan gaya aksial. Sedangkan pada struktur post and beam hanya terjadi gaya aksial. Ukuran relatif kolom akan semakin dipengaruhi bila tekuk juga ditinjau. Hal ini dikarenakan kolom pada struktur rangka mempunyai tahanan ujung, sedangkan kolom pada post and beam tidak mempunyai tahanan ujung. Perbedaan lain antara struktur rangka kaku dan struktur post and beam sebagai respon terhadap beban vertikal adalah adanya reaksi horisontal pada struktur rangka kaku. Sementara pada struktur post and beam tidak ada.

Pondasi untuk rangka harus didesain untuk memikul gaya dorong horisontal yang ditimbulkan oleh beban vertikal. Pada struktur post and beam yang dibebani vertikal, tidak ada gaya dorong horisontal, jadi tidak ada reaksi horisontal. Dengan demikian, pondasi struktur post and beam relatif lebih sederhana dibandingkan pondasi untuk struktur rangka.

Ini merupakan salah satu kerusakan tipikal bangunan-bangunan lama, yang mana fokusnya masih pada pembebanan vertikal. Perhatikan tembok satu batu saja dengan ringannya dapat terbelah oleh gempa, juga balok kayu di atas, meskipun masih utuh, tetapi tidak ada peranannya dalam memikul gaya lateral akibat gempa. Itu merupakan konstruksi simple beam, sedangkan tembok seperti kolom kantilever, bahkan mungkin seperti sendi-bebas (tidak stabil terhadap beban lateral).

2. Beban Horisontal

Perilaku struktur post and beam dan struktur rangka terhadap beban horisontal sangat berbeda. Struktur post and beam dapat dikatakan hampir tidak mempunyai kemampuan sama sekali untuk memikul beban horisontal. Adanya sedikit kemampuan, pada umumnya hanyalah karena berat sendiri dari tiang / kolom (post), atau adanya kontribusi elemen lain, misalnya dinding penutup yang berfungsi sebagai bracing. Tetapi perlu diingat bahwa kemampuan memikul beban horisontal pada struktur post and beam ini sangat kecil. Sehingga struktur post and beam tidak dapat digunakan untuk memikul beban horisontal seperti beban gempa dan angin.  Sebaliknya, pada struktur rangka timbul lentur, gaya geser dan gaya aksial pada semua elemen, balok maupun kolom. Momen lentur yang diakibatkan oleh beban lateral (angin dan gempa) seringkali mencapai maksimum pada penampang dekat titik hubung. Dengan demikian, ukuran elemen struktur di bagian yang dekat dengan titik hubung pada umumnya dibuat besar atau diperkuat bila gaya lateralnya cukup besar.

Rangka kaku dapat diterapkan pada gedung besar maupun kecil. Secara umum, semakin tinggi gedung, maka akan semakin besar pula momen dan gaya-gaya pada setiap elemen struktur. Kolom terbawah pada gedung bertingkat banyak pada umumnya memikul gaya aksial dan momen lentur terbesar. Bila beban lateral itu sudah sangat besar, maka umumnya diperlukan kontribusi elemen struktur lainnya untuk memikul, misalnya dengan menggunakan pengekang (bracing) atau dinding geser (shear walls).

Efek Kondisi Pembebanan Sebagian

Seperti yang terjadi pada balok menerus, momen maksimum yang terjadi pada struktur rangka bukan terjadi pada saat rangka itu dibebani penuh. Melainkan pada saat dibebani sebagian. Hal ini sangat menyulitkan proses analisisnya. Masalah utamanya adalah masalah prediksi kondisi beban yang bagaimanakah yang menghasilkan momen kritis.