PENGARUH BENTANGAN DAN KELENGKUNGAN TERHADAP KEKUATAN STRUKTUR ATAP HYPAR BENTUK PAYUNG TERBALIK Amin Sumadyo 1 Hari Yuliarso 1 Abstract: Research by using scale model good for perceiving structure behavior that happened and also parameter influencing that. Perception to inversed umbrella structure model, relate to hypar roof dimension unfold 5 metre and 7,5 metre with each one prop column, thickly concrete plate 8 cm. Roo dimension this models were made with scale 1/5 from real roof dimension, then both model tested by its strength with flatten beam, till critical phase of strength, in e form of cracking and also fail structure. Through hypar area analysis use membrane th ry and ultimate strength theory, yielding behavioral conclusion of hypar area in arrest brittle failure. Keywords : structure model, hypar PENDAHULUAN Pemilihan bentuk hypar sebagai sistem struktur baru, karena kekhasan struktur ini yang berbeda dengan bahan beton bertulang lainnya. Hypar lebih mengandalkan kepada cara elemen struktur ini memikul beban secara tiga dimensional, terutama karena adanya tegangan membran pada bidang tipis (tebal plat beton hanya 6 sampai 8 cm) yang bekerja bersama-sama sehingga kuat mengatasi bentang besar tanpa perkuatan balok beton. Satu bidang hypar mampu untuk menaungi ruang dengan bentang ± 5 meter dengan hanya satu kolom penyangga. Struktur ini bernilai ekonomis tinggi bila dibandingkan struktur beton lain yang menggunakan balok dan plat konvensional, dimana kebutuhan bahan besi yang sangat banyak akibat tebalnya plat beton (14 cm). Kenaikan harga besi beton hampir 70% (Suara Merdeka, 3 Maret 2004) memicu pemikiran guna mencari alternatif baru desain struktur beton bertulang yang murah. Dalam penelitian ini dilakukan percobaan dan pengamatan terhadap struktur atap hypar payung terbalik, dengan menggunakan model berskala. Penelitian dengan menggunakan model ini berguna untuk mengamati perilaku struktur yang terjadi serta parameter yang mempengaruhinya. Pengamatan pada model mengacu pada dimensi sesungguhnya atap hypar dengan dimensi bentang 5 meter dan 7,5 meter dengan satu kolom penyangga, dengan ketebalan plat beton 8 cm. Dimensi atap sesungguhnya ini akan dibuat modelnya dengan skala 1/5 dari dimensi atap sesungguhnya. Kemudian model diuji kekuatannya dengan pembebanan merata. Pembebanan dilaksanakan hingga tahap kritis kekuatan struktur, berupa retakan maupun keruntuhan struktur. Melalui analisis bidang hypar menggunakan teori membran, dan teori kekuatan batas, kemudian diambil kesimpulan perilaku bidang hypar dalam menahan beban. Dari pengamatan ini diharapkan dapat dihasilkan desain baru yang lebih efisien dalam menciptakan struktur penutup ruang bentang lebar. KAJIAN PUSTAKA Hyperbolic paraboloid ( hypar) merupakan salah satu jenis struktur shell translasi yang termasuk dalam anticlastic. Hypar shell dapat dibentuk dengan menjalankan suatu parabola cembung ( convex) pada suatu permukaan parabola cekung ( concav) yang saling tegak lurus. Cara lain untuk membentuk hypar adalah dengan menyusun empat garis tepi persegi panjang dimana kedua ujung yang 1 Staf pengajar Jurusan Arsitektur Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret S rakarta
GEMA TEKNIK - NOMOR 1/TAHUN X JANUARI 2007 berhadapan, ditinggikan. Sisi-sisi dibagi menjadi titi-titik dalam jumlah yang sama, kemudian setiap titik dihubungkan dengan garis lurus dengan titik pasangannya pada sisi yang berhadapan. Semua penampang sejajar sisi-sisi adalah garis lurus. Rumus untuk menghitung tinggi permukaan bidang hypar shell dinyatakan sebagai berikut: Z = k. y Dimana : k = kelengkungan hypar shell k = h/(a.b) a,b = panjang sisi persegi panjang h = peninggian titik sudut Visualisasi Hypar Hypar bentuk payung terbalik terdiri dari empat bidang hypar yang disatukan dengan kolom tunggal ditengah. Perilaku struktur terhadap beban Beban yang bekerja pada struktur hypar umumnya adalah beban merata dan tidak cocok untuk beban terpusat. Metode analisis struktur yaitu cara untuk mengetahui perilaku distribusi gaya-gaya dan tegangan pada struktur yang diakibatkan oleh sistem struktur, beban dan reaksi tumpuan. Ada dua macam teori yang dapat digunakan, yaitu teori membran, dan teori kekuatan batas. Teori membran merupakan cara paling sederhana, dengan memberikan anggapan bahwa: shell dianggap tidak dapat menahan gaya momen, shell dianggap terdiri dari satu Gambar 1. Hypar bentuk payung terbalik lapis bidang yaitu bidang tengah shell dengan mengabaikan ketebalan, shell dianggap bersifat elastis linier, deformasi shell dianggap sangat kecil, dan tegangan dalam shell adalah konstan atau sama dalam seluruh tebalnya. Pada teori ini hypar shell dipandang sebagai membran yaitu permukaan tipis yang hanya menahan gaya normal dan tarik. Membran yang menahan gaya tegak lurus pada permukaan akan berdeformasi secara tiga dimensional, yang menimbulkan adanya kumpulan dua gaya internal pada permukaan membran dengan arah saling tegak lurus. Yang dimaksud dengan kekuatan batas struktur dalam teori ini adalah beban maksimum yang dapat ditahan oleh struktur. Dalam perencanaan struktur, beban yang bekerja pada struktur disebut beban kerja ( working load). Kapasitas batas penampang dari struktur yang dapat berupa momen lentur, dan atau gaya normal (membran) tarik atau tekan akan memberikan gambaran mekanisme keruntuhan struktur. Dalam prakteknya perhitungan beban batas secara eksak sulit dilakukan, oleh karena itu dilakukan pendekatan secara nilai upper bound dan lower bound yang mendekati nilai sebenarnya. Keruntuhan penampang pada struktur hypar shell ditentukan oleh interaksi kapasitas momen dan gaya normal yang dapat ditahan oleh penampang, seperti halnya keruntuhan pada kolom. Pola Keruntuhan Perilaku struktur dapat diketahui pada percobaan pembebanan secara bertahap sampai runtuh. Pada pembebanan tersebut selain dapat diketahui berapa beban runtuh juga dapat diketahui jenis keruntuhan melalui hubungan beban-lendutan. Dilihat dari kurva beban-lendutan, keruntuhan dapat dibedakan atas: Keruntuhan daktail ( ductile failure), yaitu apabila titik-titik pada beban retak, beban leleh, dan beban runtuk terlihat batasnya dengan jelas. Keruntuhan jenis ini terjadi pada struktur yang mengalami momen lentur seperti plat datar atau pada balok. 108
Amin Sumadyo, dkk., Pengaruh Bentangan dan Kelengkungan Terhadap Kekuatan Struktur Atap Keruntuhan getas ( brittle failure), yaitu apabila titik-titik pada beban retak, dan beban leleh tidak terlihat dengan jelas. Keruntuhan jenis ini terjadi pada struktur yang menahan gaya normal (membran), maupun struktur yang menahan momen lentur dan gaya normal secara bersama-sama, seperti pada shell. Aplikasi struktur hypar Struktur hypar dapat digunakan pada berbagai macam struktur antara lain pada struktur atap dan struktur pondasi. Struktur atap hypar dikenal sebagai atap payung terbalik ( inverted umbrella roof). Struktur ini terdiri dari empat segmen bidang hypar, satu kolom, dan pondasi. Atap ini menerima beban merata dari atas berasal dari berat sendiri, beban air hujan, dan beban hidup merata pada atap. beban dari atap ini disalurkan secara terpusat ke pondasi melalui kolom. Gambar 2. Aplikasi struktur hypar sebagai atap dan pondasi Apabila atap payung hypar shell dibalik, atau dihadapkan kebawah, maka hypar shell berfungsi sebagai pondasi bagi kolom, yang disebut pondasi payung hypar shell. Beban terpusat dari kolom disalurkan ke tanah secara merata. Bila jumlah kolom hanya satu, disebut atap (atau pondasi) individual hypar shell, sedangkan bila jumlah kolom lebih dari satu disebut atap (atau pondasi) kombinasi hypar shell. Bila jumlah kolom hanya satu, disebut atap individual hypar shell, sedangkan bila jumlah kolom lebih dari satu maka disebut atap kombinasi hypar shell. TAHAPAN PELAKSANAAN Metode yang dilaksanakan pada penelitian ini adalah studi pengamatan melalui model terskala. Model tersebut merupakan replika struktur prototip yang digunakan untuk membuat pendekatan dan prediksi perilaku sistem struktur secara eksperimental. Maka bahan model harus memiliki karakteristik yang sesuai dengan meterial prototip. Model dibuat dengan skala 1:5 dari ukuran aslinya. Model struktur yang akan dikaji perilaku strukturnya terdiri dari dua buah model dengan dimensi yang berlainan, yang nantinya akan diperbandingkan. Dimensi model yang direncanakan memiliki bentuk bujursangkar, dengan lebar sisi 100 cm untuk model pertama dan lebar sisi 150 cm untuk model yang kedua. Adapun ketebalan plat beton adalah sama yaitu 1,6 cm. Yang membedakan dari kedua model, selain lebar sisi adalah kedalaman lengkung 20 cm untuk model pertama dan 30 cm untuk model kedua. Langkah-langkah yang ditempuh dalam penelitian ini terdiri dari metode pembuatan model serta prosedur uji pembebanan. Pembuatan Model Beton mikro yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari campuran dengan rasio: 1 PC : 2 pasir : 3 krikil. Adapun bahan-bahan yang digunakan untuk membentuk model terdiri dari: air bersih, semen abu-abu, pasir agregat halus, krikil dengan butiran agregat berdiameter max 4,8 mm, tulangan kawat baja bendrat diameter 0,5 mm dengan E = 2,1 x 10 6 Kg/cm 2 berjarak 2,5 cm. Umur beton pada saat uji pembebanan adalah 28 hari. Gambar 3. Dimensi model dalam skala 1 : 5 109
GEMA TEKNIK - NOMOR 1/TAHUN X JANUARI 2007 Uji Pembebanan Metode pembebanan menggunakan alat penekan yang bekerja secara hidrolik, berkekuatan maksimum 15 ton, dengan indikator angka beban. Tahapan yang dilalui dalam proses pembebanan adalah sebagai berikut: Model hypar diposisikan tepat pada alat penekan hidrolis. Guna merubah distribusi beban terpusat (dari hydrolic jack) ke beban merata, digunakan media perantara yaitu pasir. Pasir yang diisikan ke dalam model tersebut nantinya juga akan diakumulasikan dalam jumlah beban total. Sebelum diratakan diatas model, pasir terlebih dahulu ditimbang. Jumlah pasir yang digunakan pada uji pembebanan ini sejumlah 268,6 kg. Setelah cekungan hypar terisi pasir hingga penuh, kemudian diratakan dengan kayu lurus sehingga pasir benar-benar rata /waterpass dan siap untuk dibebani. Diatas lapisan pasir ini diletakkan lembaran papan, berjajar dua lapis, melintang dan membujur. Selanjutnya perantara beban dari hydrolic jack ke papan menggunakan media balok kayu 6/12. Jumlah total berat papan dan balok kayu tersebut adalah 25,5 kg. Model hypar siap dibebani. Beban dilakukan pada model secara perlahan. Indikator beban terpampang pada monitor indikator. Angka yang tercatat pada monitor indikator menunjukkan kelipatan 5, yang berarti tiap kelipatan 5 pada monitor menunjukkan beban 20 kg. Proses pembebanan dilaksanakan perlahan hingga model mengalami retak dan keruntuhan. Model hypar mengalami proses retak disertai dengan pecah pada indikator angka beban 305, yang berarti beban mencapai 1220 kg. Analisa terhadap fisik model, dilakukan dengan pengamatan langsung seluruh bidang hypar secara visual, berdasarkan pola retakan yang terjadi. Seluruh beban yang diperlakukan pada model, direkap guna mendapatkan angka beban total. HASIL YANG DIPEROLEH Metode pembebanan menggunakan alat penekan yang bekerja secara hidrolik, berkekuatan maksimum 15 ton, dengan indikator angka beban. Pelaksanaan pembebanan dilakukan hingga mencapai beban kritis, yaitu beban maksimum yang sanggup dipikul struktur hypar sebelum mengalami keretakan dan pecah. Akumulasi beban yang digunakan pada uji pembebanan pada model dapat dilihat pada tabel berikut ini. Tabel 1. Rekapitulasi Beban pada Model. NO JENIS BEBAN Pada saat proses pembebanan dilaksanakan, hingga mencapai beban maksimum, model mulai mengalami keretakan yang diikuti dengan pecah struktur. Dari pengamatan secara visual terhadap pola retakan yang terjadi menjelang pecahnya struktur, terdapat kesamaan antara kedua model. Retakan terjadi pada sambungan antara bidang hypar. Satu model atap hypar ini tersusun dari empat bidang hypar yang dirangkai menjadi satu bidang persegi. Hal tersebut menunjukkan bahwa sambungan antar bidang hypar rawan terjadinya retakan. Analisa terhadap perilaku struktur menunjukkan bahwa pada sisi sambungan antara hypar terjadi gaya tarik, yang mengakibatkan bidang tipis membran akan sobek tegak lurus terhadap arah gaya tarik. KESIMPULAN MODEL 1 Bidang hypar 100 x 100 cm ( Kg ) M ODEL 2 Bidang hypar 150 x 150 cm ( Kg ) 1 Pasir 97,3 268,6 2 Papan & balok kayu 14,4 25,5 3 Beban hid.jack 1.176,0 1.220,0 Total beban max yang sanggup dipikul 1.287,7 1.514,1 Hasil pengamatan terhadap uji pembebanan memunculkan temuan-temuan yang merupakan kesimpulan dari hasil analisa. Selanjutnya kesimpulan hasil pengamatan diuraikan dalam item berikut ini. 110
Amin Sumadyo, dkk., Pengaruh Bentangan dan Kelengkungan Terhadap Kekuatan Struktur Atap Struktur hypar bentuk payung terbalik, berupa plat beton tipis (1,6 cm) tanpa perkuatan balok tetapi dengan mengandalkan bentuk geometris yang menjauhkan bagian atas dan bagian bawah terhadap garis /bidang normal, sesuai dengan teori form resistant structure, ternyata bisa menahan bentang lebar dan beban yang besar pula. Menurut prediksi terhadap perilaku struktur, bidang hypar bila mendapat beban maksimum, pola runtuhnya termasuk brittle failure atau getas. Hal tersebut terbukti pada saat pembebanan, lendutan yang terjadi sangat kecil, retaknya hampir tidak terlihat karena retak lebih banyak pada bidang atas, serta selang waktu antara retak dan runtuh tidak lama. Menurut teori pola retak selalu tegak lurus gaya tarik dan sejajar dengan gaya tekan. Fenomena yang terjadi pada kedua model, bidang hypar yang mengalami retakan adalah pada pertemuan antara bidang hypar. Pada sisi pertemuan dua bidang hypar terjadi gaya tarik sehingga pola retaknya tegak lurus terhadap gaya tarik. Perkuatan terhadap pertemuan dua bidang hypar, dapat dicapai dengan menggandengkan beberapa struktur hypar, sehingga gaya yang bekerja pada sisi pertemuan saling menghilangkan (resultan nol). Pola retak dan pola runtuh terlihat pada garisgaris batas hypar. Struktur satu buah hypar bentuk payung terbalik ini memang dibentuk oleh empat buah hypar yang ditopang oleh satu kolom di tengahnya. Terlihat jelas pola retak dan runtuh pada hypar adalah pada garis batas pertemuan bidang hypar. Garis batas tersebut merupakan sisi lurus tepi hypar, ini membuktikan bahwa bentuk geometris struktur bagian tengah hypar yang berbentuk lengkung parabola dan hiperbola lebih kuat daripada bagian tepi pertemuan antar bidang. Dari uji pembebanan terhadap kedua model dengan bentang yang berlainan: bentang 100 cm kelengkungan 20 cm; dan bentang 150 cm kelengkungan 30 cm, menghasilkan kemampuan menopang beban maksimum masing-masing 1.287,7 kg dan 1.514,1 kg. Berdasarkan hal tersebut dapat diambil kesimpulan bahwa untuk memperlebar Gambar 4. Pola retak pada bidang hypar bentangan struktur, maka kelengkungan hypar juga harus diperbesar. Variabel ketebalan beton dibuat sama untuk kedua model yaitu 1,6 cm. Hal tersebut menunjukkan bahwa ketebalan tidak berpengaruh secara langsung terhadap kekuatan struktur, namun kelengkungan geometrislah yang memperkuat struktur. Ini bisa dipahami karena gaya yang bekerja pada bidang hypar sama dengan gaya yang bekerja pada shell (cangkang). Model struktur dengan tulangan dari kawat bendrat terlihat putus pada bagian hypar yang retak /runtuh, ini terjadi karena penggunaan bendrat sebagai tulangan model struktur memang mewakili skala tulangan pada prototipe atau besi beton sesungguhnya, namun demikian kekuatan tarik dari bendrat lebih kecil daripada kekuatan tarik baja tulangan umumnya. Pada saat terjadi keruntuhan yang termasuk keruntuhan getas, artinya tidak mulur terlebih dahulu, sehingga tulangan bendrat ini langsung putus. Beban maksimum yang dapat ditopang oleh kedua model adalah 1287,7 kg dan 1514,1 kg. Menurut Peraturan Pembebanan Indonesia (PPI) q atap = 100 150 kg/m 2, dengan angka keamanan / safety factor (SF) 1,5 2 (PBI 1991). Ketika diambil angka 150 kg/ m 2 angka keamanan terhadap keruntuhan pada model struktur hypar ini adalah 1287,7 : 150 = 8,58 jadi angka SF 8,58 > 2 sehingga sangat aman model struktur tersebut ketika dijadikan penutup atap. Untuk penggunaan struktur secara nyata, perlu dikembangkan penggunaan struktur hypar sesuai dengan kebutuhan dan keserasiannya pada fungsi atap meskipun juga bisa dipakai 111
GEMA TEKNIK - NOMOR 1/TAHUN X JANUARI 2007 untuk pondasi. Hal tersebut dapat dimungkinkan mengingat bidang hypar memiliki kelebihan atau keuntungan antara lain: Bidang hypar memiliki kekuatan lebih besar dibandingkan plat datar dengan tebal dan volume beton yang sama. Areal seluas 110 m 2 dapat dinaungi bidang atap hanya dengan 2 kolom saja, artinya elemen struktur vertikal berupa kolom bisa dihemat. Kekuatan struktur terhadap bentang lebar didapatkan dengan memanfaatkan bentuk geometris bidang hypar, walaupun dengan ketebalan beton yang relatif tipis. Pada aplikasi bidang hypar sebagai pondasi memberikan keuntungan bahwa telapak pondasi tidak membutuhkan tanah keras sebagai perletakannya. Bentuk strukturnya indah, perencanaannya tinggal menyesuaikan penggunaannya terhadap fungsi bangunan dan komposisi terhadap gubahan masanya. Dari sekian bentuk shell, yang paling mudah pembuatannya adalah hypar karena terdiri dari garis-garis lurus yang membentuk lengkung sendiri. Seperti halnya shell lainnya, tipisnya tebal plat tidak mengurangi kemampuan menahan beban dan bentang lebar. DAFTAR PUSTAKA Candella Felix, 1963, The Shell Builder, McGraw-Hill Heino Engel, 1977, Structure Systems, Deutsche Verlags Anstalt, Stuttgart Jurgen Joedicke, 1962, Shell Architecture, Reinhold Publishing Co., New York Lin TY., Sidney D Stotesbury, 1981, Structural Concepts and Systems for Architec and Engineer, John Willey and Sons, New York Nainan P Kurian, 1981, Modern Foundations, Tata McGraw-Hill Publishing Company, New Delhi Peter Jan Pahl, Keto Soosaar, 1963, Research Report; Structural Models for Architectural and Engineering Education, Massachusetts Institute of Technology, Chambridge, Massachusetts Schodek Daniel, 1999, Struktur, Penerbit Erlangga, Jakarta Winter George, Arthur H Nilson, 1972, Design of Concrete Structures, McGraw-Hill Kogakusha Ltd., Tokyo 112