Sekilas Tentang Analisis Struktur

Analisis Struktur

Analisis struktur yaitu pengetahuan untuk memastikan efek dari beban pada struktur fisik dan komponennya. Adapun cabang pemakaiannya meliputi analisis bangunan, jembatan, perkakas, mesin, tanah, dan lain-lain. Analisis struktur menggabungkan aspek mekanika teknik, teknik material dan matematika teknik bagi menghitung deformasi struktur, kesanggupan internal, tekanan, reaksi tumpuan, percepatan, dan stabilitas. Produksi analisis tersebut digunakan bagi memverifikasi kesanggupan struktur yang akan maupun telah dibangun. Dengan demikian analisis struktur yaitu aspek penting dari desain rekayasa struktur.

Sejarah

Sejarah analisis struktur lahir dari pengetahuan mekanika yang yaitu cabang dari fisika. Surat tertua yang berisi pengetahuan ini dibuat bentuk oleh Archimedes (287-212 SM) yang membahas prinsip pengungkit dan prinsip kemampuan mengapung. Kemajuan yang besar diawali oleh hukum kombinasi vektor gaya oleh Stevinus (1548-1620), yang juga merumuskan beberapa besar dari prinsip-prinsip statika. Penyelidikan tentang lentur pertama kali dimainkan Galileo Galilei (1564-1642) namun baru dipecahkan dengan patut oleh Auguste Coloumb (1736-1806). Robert Hooke (1635 - 1703) menemukan kelakuan material yang dikenal dengan hukum Hooke sebagai dasar dari pengetahuan elastisitas. Cara kerja maya dikembangkan permulaan mulanya oleh Leibnitz bagi menamatkan masalah mekanika biasa. Selanjutnya pendekatan ini benar-benar sangat berjasa dan penggunaannya diperluas dalam bermacam kasus. Berlainan dengan ilmuwan lain yang menekankan persamaan analitik, Christian Otto Mohr (1835–1918) meningkatkan cara grafis yang antara lain lingkaran Mohr (untuk memastikan tegangan), dan diagram Williot-Mohr (untuk memastikan perpindahan truss). Tokoh lain yang terlibat dalam perkembangan pengetahuan analisis struktur permulaan ditengahnya, Marotte, D'Alembert, Euler (teori balok dan tekuk), Navier, Bernoulli (teori balok), Maxwell (Prinsip Maxwell), Betti (hukum Betti), St. Venant (torsi), Rayleigh, dan Castigliano (teori defleksi). Teori balok Euler-Bernoulli dibuktikan kebenarannya dengan dituntaskannya pembangunan Menara Eiffel di Paris. Sebelumnya teori itu hanya dibahas oleh para ilmuwan semata. Di abad modern, perkembangan besar pengetahuan bahan dimainkan oleh ilmuwan Rusia-AS Stephen P. Timoshenko. Maha karyanya Strenght of Material yaitu buku wajib mahasiswa teknik sipil hampir diseluruh dunia. Penemuan penting lain yaitu cara distribusi momen oleh Hardy Cross pada tahun 1930 dalam suratnya di jurnal ASCE. Kontribusi lain Cross yaitu cara analogi kolom. Namun cara klasik yang mulai ditukarkan seiring dengan berkembangnya kemampuan dan kecepatan komputer. Maka dari itu penggunaan cara elemen sampai lebih meluas oleh insinyur struktur. Analisis yang sebelumnya mengonsumsi banyak kertas dengan ketelitian lebih susut dengan banyaknya variabel berhasil diatasi. Cara ini pertama kali dipakai dalam menganalisis gedung Opera Sydney oleh firma konsultan kenamaan Ove Arup. Bisa dituturkan cara elemen sampai yaitu penemuan terpenting dalam aspek analisis struktur.

Elemen struktur

Sebuah sistem struktur yaitu gabungan antara elemen struktur dengan bahannya. Sangat penting bagi insinyur bagi mengklasifikasi struktur patut bentuk maupun fungsi dengan mengenali bermacam elemen yang menyusun struktur tersebut. Elemen struktur diantaranya : Elemen lentur: Balok sederhana

Lentur balok

Sebuah balok langsing yang diberi perletakan sederhana akan menghasilkan lenturan. Sebutan masalah lentur diartikan pada studi mengenai tegangan dan deformasi yang timbul pada elemen yang melewati aksi gaya. Umumnya tegak lurus pada sumbu elemen sehingga salah satu tepi serat melewati perpanjangan dan tepi serat lainnya melewati penyusutan. Persamaan sederhana bagi memastikan tegangan lentur pada balok dengan perletakan sederhana adalah :[1]

dimana • yaitu tegangan lentur • M - momen pada sumbu netral • y - jarak tegak lurus sumbu netral ke tepi • Ix - momen inersia hasil menambah luas pada sumbu netral x.

Elemen tekan: Kolom

Selain dinding pemikul beban, kolom juga yaitu elemen vertikal yang sangat banyak digunakan. Umumnya kolom tidak melewati lentur secara langsung dikarenakan tidak berada beban tegak lurus pada sumbunya. Kolom dikategorikan bedasarkan panjangnya. Kolom pendek yaitu kolom yang kegagalannya berupa kegagalan material (ditentukan oleh kesanggupan material). Kolom panjang yaitu kolom yang kegagalannya dipastikan oleh tekuk, jadi kegagalannya yaitu kegagalan karena ketidakstabilan, bukan karena kesanggupan.[2]

Pelat

Plat yaitu struktur palanar kaku yang secara khas terbuat dari material monolit yang tingginya yang kecil dibandingkan dengan dimensi lainnya. Umumnya dapat dituturkan bahwa pelat yang terbuat dari material homogen mempunyai sifat yang sama pada segala arah.

Membran

Membran yaitu suatu struktur permukaan fleksibel tipis memikul beban terutama melewati babak tegangan tarik. Struktur membran cenderung dapat menyamakan diri dengan cara struktur dibebani. Selain itu struktur ini sangat peka terhadap efek aerodinamika dari angin. Efek ini dapat menyebabkan fluttering (getaran). Penstabilan bisa dimainkan dengan memberi gaya pra-tegang.

Cangkang

Cangkang yaitu bentuk struktural berdimensi tiga yang kaku dan tipis serta mempunyai permukaan yang lengkung. Beban-beban yang menjalankan pekerjaan pada permukaan cangkang dilaksanakan ke tanah dengan menyembulkan tegangan geser, tarik, dan tekan pada arah dalam aspek (in-plane) permukaan tersebut.

Tipe struktur Kombinasi elemen struktur dan material yang menyusunnya disebut sebagai suatu sistem struktur. Setiap sistem dibangun dari satu atau lebih dari keempat tipe dasar struktur.[3]

Truss

Truss terdiri dari ikatan elemen balok tegangan tarik dan elemen kolom pendek dan biasanya bermodel segitiga. Truss aspek disusun dari elemen-elemen yang berada pada aspek yang sama (2 matra) dan seringkali digunakan bagi jembatan-jembatan, penopang atap. Sebaliknya, truss ruang punya elemen-elemen yang dapat mengembang ke dalam tiga matra dan cocok bagi derek dan menara. Kecakapan bentangnya mulai dari 10 m sampai 125 m. Bagi kasus jembatan di Indonesia, kecakapan bentang truss tipe Warren bisa mencapai 60 m dibandingkan dengan jembatan balok prategang sederhana yang hanya mampu membentang sepanjang 30 m.

Kabel

Dua bentuk lain dari struktur yang digunakan bagi bentang panjang yaitu kabel dan bangunan berpola lengkungan. Kabel biasanya fleksibel dan menyangga beban-bebannya dalam tegangan tarik. Tidak seperti tegangan tarik yang mengikat, beban luar (eksternal) tidak dipakai sepanjang sumbu kabel, dan akibatnya kabel melewati bentuk kelengkungan tertentu. Kabel umumnya digunakan bagi tujuan seperti menopang gelagar jembatan dan atap bangunan. Bila digunakan bagi tujuan ini, kabel punya suatu keuntungan dibandingkan balok dan truss khususnya bagi bentang melebihi 50 meter. Karena mereka berlanjut sebagai tegangan tarik, kabel-kabel tidak akan sebagai stabil dan runtuh secara mendadak seperti yang biasa terjadi pada balok atau truss. Dalam aspek biaya, truss akan membutuhkan biaya tambahan dalam konstruksinya dan terjadi peningkatan ketinggian akibat bentang yang meningkat. Penggunaan kabel-kabel pada sisi lain dibatasi hanya oleh berat dan metode-metode penggantungan.

Lengkungan

Lengkungan atau busur (Arch) mencapai kesanggupannya dalam tegangan mampat, karena dia punya suatu bentuk kurva yang berlawanan dibandingkan dengan kabel. Lengkungan meskipun harus dimampatkan agar dapat menjaga bentuknya dan akibatnya pembebanan sekunder seperti gaya geser dan momen, harus dipertimbangkan dalam desainnya. Lengkungan seringkali digunakan dalam struktur jembatan, kubah, dan bagi pintu masuk dinding bangunan batu.

Kerangka

Kerangka-kerangka (Frames) sering digunakan dalam bangunan yang tersusun dari balok dan kolom yang hubungan berupa sambungan pin (sendi) ataupun sambungan kaku. Pembebanan pada suatu kerangka menyebabkan pembengkokan anggota aspek dan akibat dari hubungan sambungan kaku, struktur ini umumnya sebagai struktur tak tentu dari sudut pandang analisis. Kesanggupan dari suatu kerangka dikurangi dari interaksi momen antara balok dan kolom pada sambungan kaku, dan produksinya keuntungan ekonomis dari penggunaan suatu kerangka bergantung pada peningkatan efesiensi dalam menggunakan ukuran balok yang lebih kecil terhadap peningkatan ukuran kolom dari aksi “balok-kolom” yang disebabkan pembengkokan pada sambungan-sambungan.

Struktur aspek permukaan

Struktur aspek permukaan dibuat bentuk dari suatu bahan yang punya ketebalan yang sangat tipis dibandingkan dengan ukuran dimensi lainnya. Kadangkala material ini sangat lentur dan dapat mengambil bentuk suatu tenda atau struktur gelembung udara. Pada kasus ini material menjalankan pekerjaan sebagai suatu struktur membran yang dibebankan oleh tegangan tarik murni. Struktur aspek permukaan bisa juga dibuat bentuk dari bahan kaku seperti beton pratekan atau ferro-semen. Sebagaimana mereka bisa dibuat bentuk sebagai pelat lipatan, silinder, atau parabola hiperbolik dan disebut pelat tipis atau cangkang. Struktur ini menjalankan pekerjaan menyerupai kabel atau lengkungan karena mereka pada pokoknya menopang beban-beban dalam bentung tegangan tarik atau mampatan (tekanan) dengan pembengkokan yang sangat kecil. Struktur ini berlibat dianalisis kecuali dengan pertolongan komputer dengan cara elemen sampai. Beban

Jembatan tipe Warren Truss di Leupung, Aceh. 
Disini beban mati yaitu berat rangka baja dan perkerasan perlintasan. 
Sedang beban hidupnya yaitu beban kendaraan, angin, dan gempa.

Setelah dimensi dari struktur itu diketahui, sangat penting kemudian memastikan beban apa saja yang ditanggung dari struktur. Beban disain biasanya dispesifikasi oleh peraturan bangunan yang berlanjut. Bagi wilayah hukum Indonesia digunakan SNI 03 1727 1989 Perencanaan Pembebanan Bagi Rumah dan Gedung. Berada dua jenis beban pada struktur yang harus dipertimbangkan dalam desain. Tipe pertama ini disebut dengan Beban matiyang yaitu berat dari kumpulan setiap anggota struktur maupun berat objek benda yang ditempatkan secara permanen. Sebagai contoh, kolom, balok, balok penopang (girder), pelat lantai, dinding, jendela, plumbing, alat listrik, dsb-nya. Kedua yaitu Beban hidup, yang mana beban yang bangkit atau bervariasi dalam ukuran maupun lokasi. Contohnya yaitu beban kendaraan pada jembatan, beban pengunjung pada gedung, beban hujan, beban salju, beban ledakan, beban gempa, dan beban alami lainnya.

Beban angin

Bila struktur merintangi saluran angin, energi kinetik angin dikonversikan ke dalam energi potensial tekanan, yang menyebabkan terjadinya suatu pembebanan angin. Efek angin pada struktur bergantung pada kerapatan dan kecepatan udara, sudut datang angin, bentuk dan kekakuan struktur dan kekesaran permukaannya. Pembebanan angin bisa ditinjau dari pendekatan statik maupun dinamik.

Beban gempa

Gempa bumi menghasilkan pembebanan pada suatu struktur melewati interaksi pergerakan tanah dan karakteristik respon struktur. Pembebanan ini yaitu produksi dari distorsi struktur yang disebabkan oleh pergerakan tanah dan kekakuan struktur. Besarnya bergantung pada banyak dan tipe percepatan gerak tanah, masa dan kekakuan struktur. Pembebanan dan analisis gempa di Indonesia merujuk pada SNI 03 1726 2010 Standar Perencanaan Ketahanan Gempa Bagi Struktur Bangunan Gedung dan Non Gedung.

Tekanan Hidrostatik dan Tekanan Tanah

Bila struktur-struktur digunakan bagi menahan air, tanah atau materi glanural, tekanan yang diproduksi oleh beban-beban ini sebagai suatu kriteria desain yang penting. Contohnya yaitu bendungan atau dinding penahan (retaining wall). Disini hukum-hukum hidrostatik dan mekanika tanah dipakai bagi memastikan pembebanan struktur.

Stabilitas struktur

Pada struktur stabil, deformasi yang diakibatkan beban pada umumnya kecil dan gaya dakhil (internal) yang timbul dalam struktur mempunyai kecenderugan mengembalikan bentuk semula apabila bebannya dihapuskan. Pada struktur tidak stabil, deformasi yang diakibatkan oleh beban pada umumnya mempunyai kecenderungan bagi terus bertambah selama struktur dibebani. Struktur yang tidak stabil gampang melewati keruntuhan secara menyeluruh dan seketika begitu dibebani. Sebagai contoh, bayangkan tiga buah balok disusun membuat rangka segiempat. Berikan gaya horizontal diujung rangka atas balok tersebut. Maka lama kelamaan rangka itu roboh. Salah satu cara bagi menghasilkannya lebih stabil dengan bracing atau memberi pokoknya dengan dinding. Selain dengan yang diberitahukan tadi, ketidakstabilitas struktur bisa diakibatkan juga oleh kelemahan kolom yang diakibatkan tekuk maupun efek P-Delta.

Cara analisis

Analisis Cremona bagi truss sederhana.

Bagi bisa menghasilkan analisis yang akurat, insinyur struktur harus memperoleh informasi mengenai beban struktur, geometri, kondisi tumpuan, dan sifat bahan. Produksi dari analisis biasanya berupa reaksi tumpuan, tegangan, geser, momen, puntir, dan perpindahan. Informasi ini kemudian dibandingkan dengan kriteria kondisi kegagalan. Analisis struktur lanjutan menyertakan respon dinamika, stabilitas dan perilaku non-linier. Berada dua pendekatan analisis yang umum yang : pendekatan analitik dan grafis. Pendekatan analitik menerapkan mekanika bahan, teori elastisitas dengan perlintasan analisis matematika seperti vektor, matrik ataupun elemen sampai. Pendekatan grafis menerapkan prinsip-prinsip geometri struktur dan garis sebagai beban bagi menganalisis. Bagaimanapun terkadang prinsip mekanika klasik tetap diterapkan seperti bagi mengecek kesetimbangan dan bagi menganalisis balok statis tertentu.

Pendekatan analitik bagi menganalisis kerangka atau balok elastis ditengahnya adalah : • Cara Cross • Cara Takabeya • Cara distribusi momen • Cara analogi kolom • Cara kerja maya (energi virtual) • Cara kekakuan dan kelenturan • Cara defleksi kemiringan(slope deflection).

Sedangkan bagi menganalisis kestabilitas struktur (kemantapan kolom) diantaranya : • Cara tekuk Euler • Teori modulus ganda • Teori modulus singgung • Cara Southwell • Cara energi

Analisis pelat : • Teori Khirchoff-Love • Teori Mindlin-Reissner • Teori Reissner–Stein

Dengan pendekatan grafis : • Cara Cremona • Diagram defleksi Williot-Mohr • Analisis grafis pada analisis plastis (bukan elastis) kerangka atau balok.

Analisis dengan pertolongan komputer

STAAD.Pro yaitu salah satu program analisis struktur.

Sampai akhir tahun 1950an, analisis beberapa tipe struktur tak-tentu panjang dan berlibat. Analisis struktur dengan banyak sambungan dan anggota (truss ruang, contohnya) memerlukan beberapa bulan hitungan oleh tim insinyur berpengalaman. Itupun perlu banyak asumsi yang disederhanakan sehingga produksinya adakalanya justru menyembulkan keraguan. Sekarang, program komputer yang tersedia bisa menghasilkan pekerjaan lebih cepat dan akurat. Beberapa pengecuali tetap berada. Jika struktur punya bentuk yang tidak lazim dan komplek seperti dinding tebal wadah nuklir atau lambung kapal selam, analisis komputer akan lebih berlibat dan mengonsumsi waktu yang banyak. Banyakan program komputer ditulis bagi analisis orde-pertama, dimana diasumsikan (1) kelakuan linear-elastis (2) anggota tidak punya efek akibat deformasi (3) tidak berada pengurangan kekakuan akibat beban tekan. Ketika masalah lebih rumit,dianjurkan menggunakan analisis orde kedua dengan memperhatikan kelakuan in-elastis, peralihan geometri, dan pertimbangan lain yang dianggap mempengaruhi perilaku struktur.[4] Program analisis struktur ditulis bedasarkan cara elemen sampai. Contohnya yaitu Frame3DD, SAP2000 dan ETABS.

Sumber:
1. Gere, J. M. and Timoshenko, S.P., 1997, Mechanics of Materials, PWS Publishing Company.
2. Schodek, Daniel L., 1999, Sruktur, Erlangga.
3. Hibbeller, R.C, 1999, Analisa Struktur, PT. Prenhallindo.
4. Leet, Kenneth M. dkk., 2011, Fundamentals of Structural Analysis, Mc Graw-Hill.
5. https://commons.wikimedia.org/