LAPORAN AKHIR STUDI EKSPERIMENTAL KEKUATAN DAN RIGIDITAS RANGKA BATANG PAPAN KAYU

Transkripsi

1 Hibah Dosen Muda LAPORAN AKHIR STUDI EKSPERIMENTAL KEKUATAN DAN RIGIDITAS RANGKA BATANG PAPAN KAYU Oleh: Altho Sagara S.T., M.T. Sisi Nova Rizkiani S.T. Husain Abdurrahman Shiddiq Pembina: Dr. Johannes Adhijoso Tjondro Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat Universitas Katolik Parahyangan 2016

2 ABSTRAK Rangka batang kayu merupakan sistem struktur banyak digunakan karena dapat dengan mudah menggunakan variasi dalam konfigurasi dan ukuran batang. Rangka batang dapat dibuat secara khusus sesuai dengan kondisi beban dan bentang tertentu sehingga dimensi dapat efisien dan efisiensi dalam pelaksanaan dapat tercapai. Pada penelitian ini akan dilakukan uji eksperimental pada rangka batang yang tersusun atas papan kayu vertikal, horizontal, dan diagonal. Tujuan dari penelitian adalah untuk mendapatkan kekuatan, rigiditas, daktilitas, dan pola kegagalan dari struktur rangka batang kayu untuk kemudian dapat diaplikasi penggunaannya di lapangan. Variasi penelitian adalah jenis sambungan yang digunakan yaitu dengan menggunakan penyambung paku dan lem. BAB I. PENDAHULUAN Kayu merupakan hasil hutan yang mudah diproses untuk dijadikan barang sesuai dengan kemajuan teknologi. Pada bidang konstruksi, kayu menjadi salah satu material yang sering digunakan untuk berbagai elemen struktur seperti balok, kolom, papan lantai, dan lainlain. Kayu digunakan sebagai salah satu material konstruksi karena keunggulannya dibandingkan material baja dan beton. Material kayu lebih ringan dan kuat sehingga tahan terhadap gempa. Selain itu, kayu lebih mudah dikerjakan dan dapat disambung dengan alat relatif sederhana. Bahan kayu juga termasuk bahan yang ramah lingkungan karena dapat didaur ulang, sehingga penggunaan kayu sebagai bahan konstruksi ikut berperan penting dalam mengurangi dampak pemanasan global yang terjadi. Dewasa ini kondisi hutan alam sudah tidak mampu lagi memproduksi kayu dengan ukuran besar sesuai dengan yang diperlukan dalam konstruksi bangunan. Ketersediaan pohon yang berukuran optimal sulit dicapai seiring meningkatnya kebutuhan kayu untuk berbagai macam kebutuhan. Hal ini menyebabkan kayu yang dihasilkan oleh hutan alam kian menurun baik dari volume maupun mutu dari kayu tersebut. Berbagai macam upaya telah dilakukan untuk mengatasi ketidak-seimbangan yang terjadi antara ketersediaan kayu yang berukuran optimal dan kebutuhan penggunaan kayu yang semakin meningkat. Salah satunya adalah dengan pengalihan terhadap jenis-jenis kayu yang berasal dari hutan rakyat atau hutan industri yang bertujuan mencukupi kebutuhan penggunaan kayu di berbagai macam industri. Disisi lain, penggunaan kayu yang berasal dari hutan rakyat atau hutan industri umumnya kayu cepat tumbuh (fast growing species) sehingga mutunya rendah dan dimensi yang dihasilkan cukup kecil untuk digunakan sebagai material konstruksi. Hal ini menyebabkan dibutuhkan rekayasa konstruksi kayu untuk mendapatkan kekuatan elemen struktur dan dimensi kayu yang lebih besar. Salah satu rekayasa kayu yang dapat dilakukan adalah dengan memanfaatkan papan kayu sebagai elemen rangka batang. Rangka batang kayu merupakan sistem yang paling banyak digunakan karena dapat dengan mudah menggunakan banyak variasi dalam konfigurasi dan ukuran batang. Rangka batang dapat dibuat secara khusus sesuai dengan kondisi

3 beban dan bentang tertentu sehingga efisiensi dimensi struktural dan efisiensi pelaksanaan dapat tercapai. Titik hubung dari pertemuan setiap elemen batang kayu tersebut dihubungkan dengan menggunakan penyambung paku, lem, maupun kombinasi dari paku dan lem. Kekuatan dan rigiditas dari rangka batang dengan berbagai macam variasi penyambung tersebut perlu dipelajari melalui pengujian eksperimental yang akan dilakukan. BAB II. TINJAUAN PUSTAKA Rangka batang adalah susunan elemen-elemen linier yang membentuk segitiga atau kombinasi segitiga, sehingga mnjadi bentuk rangka yang tidak dapat berubah bentuk bila diberi beban eksternal tanpa adanya perubahan bentuk pada satu atau lebih batangnya. Setiap elemen tersebut dianggap tergabung pada titik hubunganya dengan sambungan sendi. Sedangkan batang-batang tersebut dihubungkan sedemikian rupa sehingga semua beban dan reaksi hanya terjadi pada titik hubung. Prinsip utama yang mendasari penggunaan rangka batang sebagai struktur pemikul beban adalah penyusunan elemen menjadi konfigurasi segitiga yang menghasilkan bentuk stabil. Pada bentuk segiempat atau bujursangkar, bila struktur tersebut diberi beban, maka akan terjadi deformasi masif dan menjadikan struktur tak stabil. Bila struktur ini diberi beban, maka akan membentuk suatu mekanisme runtuh (collapse). Struktur yang demikian dapat berubah bentuk dengan mudah tanpa adanya perubahan pada panjang setiap batang. Sebaliknya, bentuk segitiga tidak dapat berubah bentuk atau runtuh, sehingga dapat dikatakan bahwa bentuk ini stabil Pada struktur stabil, setiap deformasi yang terjadi relatif kecil dan dikaitkan dengan perubahan panjang batang yang diakibatkan oleh gaya yang timbul di dalam batang sebagai akibat dari beban eksternal. Selain itu, sudut yang terbentuk antara dua batang tidak akan berubah apabila struktur stabil tersebut dibebani. Hal ini sangat berbeda dengan mekanisme yang terjadi pada bentuk tak stabil, dimana sudut antara dua batangnya berubah sangat besar. Pada struktur stabil, gaya eksternal menyebabkan timbulnya gaya pada batang-batang. Gaya-gaya tersebut adalah gaya tarik dan tekan murni. Lentur (bending) tidak akan terjadi selama gaya eksternal berada pada titik nodal (titik simpul). Bila susunan segitiga dari batang-batang adalah bentuk stabil, maka sembarang susunan segitiga juga membentuk struktur stabil dan kukuh. Hal ini merupakan prinsip dasar penggunaan rangka batang pada gedung. Bentuk kaku yang lebih besar untuk sembarang geometri dapat dibuat dengan memperbesar segitiga-segitiga itu. Untuk rangka batang yang hanya memikul beban vertikal, pada batang tepi atas umumnya timbul gaya tekan, dan pada tepi bawah umumnya timbul gaya tarik. Gaya tarik atau tekan ini dapat timbul pada setiap batang dan mungkin terjadi pola yang berganti-ganti antara tarik dan tekan.

4 Kriteria yang digunakan untuk merancang juga menjadi sangat bervariasi. Ada beberapa tujuan yang menjadi kriteria dalam desain rangka batang, yaitu: (1) Efisiensi Dimensi Struktur Tujuan efisiensi dimensi struktur biasa digunakan dan diwujudkan dalam suatu prosedur desain, yaitu untuk meminimumkan jumlah bahan yang digunakan dalam rangka batang untuk memikul pembebanan pada bentang yang ditentukan. (2) Efisiensi Pelaksanaan (Konstruksi) Alternatif lain, kriteria desain dapat didasarkan atas tinjauan efisiensi pelaksanaan (konstruksi) sehubungan dengan fabrikasi dan pembuatan rangka batang. Untuk mencapai tujuan ini, hasil yang diperoleh seringkali berupa rangka batang dengan konfigurasi eksternal sederhana, sehingga diperoleh bentuk triangulasi yang sederhana pula. Dengan membuat semua batang identik, maka pembuatan titik hubung menjadi lebih mudah dibandingkan bila batang-batang yang digunakan berbeda. BAB III. METODE PENELITIAN Metode penelitian yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Studi Pustaka Peneliti menggunakan buku-buku literatur yang digunakan sebagai dasar teori mengenai struktur kayu, penyambungan kayu, dan informasi yang berkaitan dengan penelitian ini 2. Pengujian Laboratorium Pengujian laboratorium dilakukan dengan uji destruktif berdasarkan ASTM D Berikut adalah lingkup dari pengujian laboratorium yang dilakukan Papan kayu yang digunakan pada penelitian ini adalah papan kayu jenis Sengon. Gambar 1 Papan Kayu Sengon yang Digunakan

5 Ukuran papan kayu yang digunakan adalah papan kayu dengan tebal 2 cm, dan tinggi 6 cm. Variasi penyambung yang digunakan adalah penyambung paku dan penyambung lem. Masing-masing variasi pengujian yang dilakukan akan dibuat 2 buah benda uji. Total benda uji yang akan dibuat adalah 6 buah benda uji. Benda uji diberikan kode nama untuk mempermudah Kode A untuk rangka batang papan kayu paku terdiri dari A-1, A-2, dan A-3. Sedangkan Kode B rangka batang papan kayu lem terdiri dari B-1, B-2, dan B-3. Berikut adalah konfigurasi dan ukuran dari balok rangka batang kayu yang digunakan Gambar 2 Konfigurasi dan Dimensi Balok Rangka Papan Kayu Gambar 3 Proses Perakitan Rangka Batang Papan Kayu

6 Gambar 4 Benda Uji Rangka Batang Papan Kayu Pengujian material yang dilakukan adalah pengujian berat jenis kayu, pengujian kadar air kayu, pengujian lentur kayu untuk mendapatkan modulus elastisitas, dan pengujian geser alat penyambung paku dan lem. Gambar 5 Pengujian Lentur Papan Kayu dan Pengujian Geser Paku Pengujian destruktif dilakukan dengan metode ASTM D (American Society for Testing and Material). Pengujian akan dilakukan menggunakan Universal Testing Machine (UTM) dan Transducer LVDT untuk mendapatkan peralihan pada rangka batang tersebut. Tumpuan Beban Gambar 6 Setup Pengujian dengan Menggunakan UTM

7 Gambar 7 Lokasi Pemasangan LVDT LVDT

8 Beban (kg) BAB IV. PELAKSANAAN DAN HASIL PENGUJIAN Langkah-langkah yang dilakukan dalam melakukan pengujian destruktif benda uji rangka batang papan kayu adalah sebagai berikut: 1. Benda uji diletakan diatas dudukan yang berupa tumpuan sendi-rol. Pengujian dilakukan dengan menggunakan Hung-Ta atau UTM. Kemudian diberikan beban pada sambungan rangka batang papan kayu berjumlah dua titik dengan jarak 40 cm dari kedua ujung rangka batang. Beban ditambahkan secara bertahap dengan kecepatan 2.5 mm/menit. 2. Pada tengah bentang rangka batang dipasang alat LVDT untuk mencatat lendutan yang terjadi. 3. Pengujian dilakukan sampai benda uji mengalami kehancuran. Hasil dari pengujian kuat lentur yang kita peroleh dari UTM adalah data data beban dan lendutan. Data data tersebut kemudian diolah dan diplot dalam grafik hubungan antara beban dan lendutan. Pada masing masing grafik tersebut dicari beban batas proporsionalnya (Pp) serta lendutannya (δp), beban maksimum yang dapat diterima oleh rangka batang (Pu) serta lendutannya (δu), dan lendutan maksimumnya (δmax). Penentuan batas proporsional menggunakan metode pendekatan regresi linear. Nilai dari daktilitas dapat diperoleh, nilai daktilitas tersebut merupakan nilai daktilitas perlihan dengan dua jenis yaitu daktilitas perlihan ultimate dan daktilitas peralihan rupture Berikut ini adalah grafik hubungan antara beban dan lendutan untuk masing masing benda uji: 1400 P u P p P d δ d 10 δ p δ u Peralihan (mm) Gambar 8 Grafik Uji Kuat Lentur Rangka Batang A-1

9 Beban (kg) Beban (kg) Beban (kg) Peralihan (mm) Gambar 9 Grafik Uji Kuat Lentur Rangka Batang A Peralihan (mm) Gambar 10 Grafik Uji Kuat Lentur Rangka Batang A Peralihan (mm) Gambar 11 Grafik Uji Kuat Lentur Rangka Batang B-1

10 Beban (kg) Beban (kg) Peralihan (mm) Gambar 12 Grafik Uji Kuat Lentur Rangka Batang B Peralihan (mm) Gambar 13 Grafik Uji Kuat Lentur Rangka Batang B-3 Data data berupa beban dan lendutan yang diperoleh dari grafik diatas dapat dilihat pada tabel 1 dan 2 dibawah ini. Tabel 1 Nilai Daktilitas Ultimate Benda Uji No Uji Pp (N) δp (mm) Pu (N) δu (mm) Daktilitas Peralihan Ultimate Daktilitas Rata - rata A A A B B B

11 Pada benda uji sambungan paku A-1, A-2 dan A-3 nilai daktilitas ultimate berkisar Pada benda uji sambungan lem B-1, B-2 dan B-3 nilai daktilitas ultimate berkisar Rata-rata nilai daktilitas ultimate pada benda uji sambungan paku adalah 3.94 dan rata-rata nilai daktilitas pada benda uji sambungan lem adalah Dalam hasil pengujian benda uji rangka batang papan terdapat perbedaan antara beban desain dengan beban maksimum aktual yang mampu dipikul oleh rangka batang papan tersebut. Hal ini disebabkan oleh parameter parameter awal yang digunakan dalam mendesain sebagian besar masih merupakan asumsi sementara. Setelah menggunakan besaran-besaran yang diperoleh dari pengujian-pengujian di laboratorium, maka diperoleh beban desain untuk benda uji sebesar 272 kg. Berikut ini adalah rasio perbandingan antara beban maksimum dengan beban proporsional dan beban desain. Tabel 2 Nilai Faktor Keamanan Benda Uji Rangka Batang Papan Benda Uji Pd (N) Pp (N) Pu (N) FK Pp/Pd FK Pu/Pp FK Pu/Pd A A A B B B Dari tabel 4.3 dapat diambil kesimpulan bahwa rangka batang A mampu memikul beban berkisar dari kali lipat dengan rata rata empat kali lipat lebih besar daripada beban desain, sedangkan rangka batang B mampu memikul beban berkisar dari kali lipat dengan rata rata lima kali lipat lebih besar daripada beban desain. Untuk rangka batang A mampu memikul beban berkisar kali lipat dengan rata - rata satu setengah kali kali lipat lebih besar daripada beban proporsional, sedangkan rangka batang B mampu memikul beban berkisar kali lipat dengan rata - rata satu setengah kali kali lipat lebih besar daripada beban proporsional. Berdasarkan beban proporsional terhadap desain, rangka batang A mampu memikul beban berkisar kali lipat dengan rata rata dua kali lipat lebih besar dari besar desain, sedangkan rangka batang B mampu memikul beban berkisar kali lipat dengan rata rata tiga kali lipat lebih besar dari beban desain. Rangka batang A memiliki FK yang lebih besar terhadap beban proporsional, sedangkan rangka batang B memiliki FK yang lebih besar terhadap beban desain.

12 BAB V. Pola Keruntuhan Dari pengujian destruktif yang telah dilakukan sebelumnya, dapat terlihat bahwa kedua variasi jenis sambungan tersebut mempunyai perbedaan pola keruntuhan yang cukup signifikan. Pada benda uji dengan sambungan paku dapat dilihat bahwa kegagalan bersifat ductile pada bottom chord benda uji tersebut. Retak / patahan sejajar serat terjadi pada batang tersebut dan menyebar secara perlahan-lahan. Pada benda uji dengan sambungan lem, kegagalan lebih bersifat brittle dapat terlihat pada kegagalan batang diagonal yang terjadi secara tiba-tiba. Berikut adalah gambar dari pola keruntuhan yang terjadi pada kedua jenis specimen Gambar 14 Kegagalan pada benda uji dengan sambungan paku BAB VI. KESIMPULAN Gambar 15 Kegagalan pada benda uji dengan sambungan lem Struktur rangka kayu dengan sambungan paku maupun sambungan lem dari segi kekuatan mempunyai faktor keamanan yang berkisar antara , sehingga dapat dikatakan sangat baik untuk digunakan sebagai balok anak penahan lantai kayu bangunan hunian. Pola kegagalan dari benda uji dengan sambungan paku lebih ductile bila dibandingkan dengan benda uji dengan sambungan lem, meskipun benda uji dengan sambungan lem mempunyai kekuatan yang 30% lebih besar dibandingkan dengan benda uji sambungan paku.

13 DAFTAR PUSTAKA Forest Products Laboratory. (2010). Wood Handbook Wood As An Engineering Material. United States Department of Agriculture Forest Service. Madison, Winconsin American Society for Testing and Materials. (2008). ASTM D : Standard Methods of Specific Gravity of Wood and Wood-Based Materials. Annual Book of ASTM Standards volume Baltimore, U.S.A. Standar Nasional Indonesia. (2013). Spesifikasi Desain untuk Konstruksi Kayu, SNI 7973:2013. Badan Standar Indonesia, Jakarta, Indonesia. ASTM D Standard Test Methods of Static Tests of Lumber In Structural Sizes (1999). American Society for Testing and Materials, West Conschohocken. Aghayere, Abi. (2007). Structural Wood Design A Practice-Oriented Approach Using the ASD Method. John Willey and Sons. Hoboken, New Jersey Romstad and Subramanian (1970). Non-Linier Static and Cyclic Analysis of Steel Frames With Semi-Rigid Connection. Elsevier Ltd, Kiddlington, Oxford Stanalker, Judith J. (1997). Structural Design in Wood. Chapman & Hall, New York. Williamson, Thomas G. (2002). APA Engineered Wood Handbook. McGraw-Hill, New York Somayaji, Shan. (1990). Structural Wood Design. West Publishing Company. Kellog Boulevard, St.Paul Buchanan A., Timber Design Guide, New Zealand Timber Industry Federation Inc, New Zealand, 2007, p. 55.