Sejarah Struktur Baja

I. Sejarah Struktur Baja

Penggunaan logam sebagai bahan struktural diawali dengan besi tuang untuk bentang lengkungan (arch) sepanjang 100 ft (30 m) yang dibangun di Inggris pada tahun 1777 – 1779. Dalam kurun waktu 1780 – 1820,. Dibangun lagi sejumlah jembatan dari besi tuang, kebanyakan berbentuk lengkungan dengan balok – balok utama dari potongan – potongan besi tuang indivudual yang membentuk batang – batang atau kerangka (truss) konstruksi. Besi tuang juga digunakan sebagai rantai penghubung pada jembatan – jembatan suspensi sampai sekitar tahun 1840.

Setelah tahun 1840, besi tempa mulai mengganti besi tuang dengan contoh pertamanya yang penting adalah Brittania Bridge diatas selat Menai di Wales yang dibangun pada 1846 – 1850. Jembatan ini menggunakan gelagar –gelagar tubular yang membentang sepanjang 230 – 460 – 460 – 230 ft (70 – 140 – 140 – 70 m) dari pelat dan profil siku besi tempa.

Proses canai (rolling) dari berbagai profil mulai berkembang pada saat besi tuang dan besi tempa telah semakin banyak digunakan. Batang – batang mulai dicanai pada skala industrial sekitar tahun 1780. Perencanaan rel dimulai sekitar 1820 dan diperluas sampai pada bentuk – I menjelang tahun 1870-an.

Perkembangan proses Bessemer (1855) dan pengenalan alur dasar pada konverter Bessemer (1870) serta tungku siemens-martin semakin memperluas penggunaan produk – produk besi sebagai bahan bangunan. Sejak tahun 1890, baja telah mengganti kedudukan besi tempa sebagai bahan bangunan logam yang terutama. Dewasa ini (1990-an), baja telah memiliki tegangan leleh dari24 000 sampai dengan 100 000 pounds per square inch, psi (165 sampai 690 MPa), dan telah tersedia untuk berbagai keperluan struktural.

Berikut ini adalah awal mula ditemukannya Baja.

· Besi ditemukan digunakan pertama kali pada sekitar 1500 SM

· Tahun 1100 SM, Bangsa hittites yang merahasiakan pembuatan tersebut selama 400 tahun dikuasai oleh bangsa asia barat, pada tahun tersebbut proses peleburan besi mulai diketahui secara luas.

· Tahun 1000 SM, bangsa yunani, mesir, jews, roma, carhaginians dan asiria juga mempelajari peleburan dan menggunakan besi dalam kehidupannya.

· Tahun 800 SM, India berhasil membuat besi setelah di invansi oleh bangsa arya.

· Tahun 700 – 600 SM, Cina belajar membuat besi.

· Tahun 400 – 500 SM, baja sudah ditemukan penggunaannya di eropa.

· Tahun 250 SM bangsa India menemukan cara membuat baja

· Tahun 1000 M, baja dengan campuran unsur lain ditemukan pertama kali pada 1000 M pada

kekaisaran fatim yang disebut dengan baja damascus.

· 1300 M, rahasia pembuatan baja damaskus hilang.

· 1700 M, baja kembali diteliti penggunaan dan pembuatannya di eropa.

II. Material baja

2.1 Jenis – jenis Baja

Dengan baja dimaksudkan suatu bahan dengan keserbasamaan yang besar, yang terutama terdiri atas ferrum (Fe) dalam bentuk hablur dan 0,04 @ 1,6% zat arang (C); zat arang itu didapat dengan jalan membersihkan bahan pada temperatur yang sangat tinggi, dengan menggunakan proses – proses yang akan disebut sebagian besar dari besi kasar, yang dihasilkan oleh dapur – dapur tinggi.

Semua jenis – jenis baja sedikit banyak dapat ditempa dan dapat disepuh, sedangkan untuk baja lunak pada tegangan yang jauh dibawah kekuatan tarik atau batas patah T_B, yaitu apa yang dinamakan batas lumer atau tegangan lumer T_v, terjadi suatu keadaan yang aneh, dimana perubahan bentuk berjalan terus beberapa waktu, dengan tidak memperbesar beban yang ada.

Sifat – sifat baja bergantung sekali kepada kadar zat arang, semakin bertambah kadar ini, semakin naik tegangan patah dan regangan menurut prosen, yang terjadi pada sebuah batang percobaan yang dibebani dengan tarikan, yaitu regangan patah menjadi lebih kecil.

Persentase yang sangat kecil dari unsur – unsur lainnya, dapat mempengaruhi sifat – sifat baja dengan kuat sekali, secar baik atau jelek. Guna membedakannya, jenis – jenis baja diberi nomor yang sesuai dengan tegangan patah yang dijamin dan yang terendah pada percobaan tarik yang normal, tetapi untuk setiap jenis baja juga ditentukan suatu T_Bmaks.

1.2 Klasifikasi Baja

1. Baja Karbon

Baja Karbon dibagi menjadi empat kategori berdasarkan persentase karbonnya : Karbon rendah (kurang dari 0,15%); Karbon lunak (0,15 – 0,29%); Karbon sedang (0.3 – 0.59%); dan karbon tingi (0,6 – 1,7%). Baja Karbon struktural termasuk dalam kategori karbon lunak. Baja Karbon struktur menunjukan titik leleh dfinit, peningkatan perentase karbon akan menigkatkan kekerasannya namun mengurangi kekenyalannya, sehingga lebih sulit dilas.

2. Baja Perpaduan Rendah Berkekuatan Tinggi

Kategori ini meliputi baja – baja yang memiliki tegangan leleh dari 40 – 70 ksi (275 – 480 MPa), yang menunjukan titik leleh yang jelas, sama dengan yang terjadi pada baja karbon. Penambahan sejumlah elemen paduan terhadap baja seperti krom, kolubium, tembaga, mangan, molibden, nikel, fosfor, vanadium atau zirkonium, akan memperbaiki sifat – sifat mekanisnya. Bila Karbon mendapatkan kekuatan dengan penambahan kandungan karbonnya, elemen – elemen paduan menciptakan tambahan kekuatan lebih dengan mikrostruktur yang halus ketimbang mikrostruktur yang kasar yang diperoleh selama proses pendinginan baja. Baja paduan rendah berkkuatan tinggi digunakan dalam kondisi seperti tempaan atau kondisi normal yakni kondisi dimana tidak digunakan perlakuan panas.

3. Baja Paduan

Baja paduan rendah dapat didinginkan dan disepuh supaya dapat mencapai kekuatan leleh sebesar 80 – 110 ksi (550 – 760 MPa). Kekuatan leleh biasanya didefinisikan sebagai tegangan pada regangan offset 0,2%, karena baja ini tidak menunjukan titik leleh yang jelas. Dengan prosedur yang tepat baja ini dapat dilas, dan biasanya tidak membutuhkan tambahan perlakuan panas setelah pengelasan dilakukan. Untuk beberapa keperluan khusus, kadangkala dibutuhkan pengendoran tegangan. Beberapa baja karbon, seperti baja tekanan fluida tertentu, dapat didinginkan dan disepuh supaya dapat memberikan kekuatan leleh sekitar 80 ksi (550 MPa), namun kebanyakan baja dengan kekuatan sedemikian merupakan baja paduan rendah. Baja paduan rendah ini pada umumnya memiliki karbon sekitar 0,2% supaya dapat membatasi kekerasan mikrostruktur btiran kasar (martensit) yang mungkin terbentuk selama perlakuan panas atau pengelasan, sehingga dapat mengurangi bahaya retakan.

Perlakuan panas terdiri dari pendinginan (pendinginan secara cepat dengan air atau minyak paling tidk 1650⁰F (900⁰C) sampai sekitar 300 – 400⁰F); kemudian penyepuhan dengan pemanasan kembali sampai paling tidak sekitar 1150⁰F (620⁰C) dan kemudian dibiarkan mendingin. Penyepuhan, meskipun mengurangi sedikit kekuatan dan kekerasan dari bahan yang telah didinginkan, namun dapat meningkatkan kekenyalan dan keuletan. Pengurangan dalam kekuatan dan kekerasan dengan peningkatan temperatur sedikit dilawan oleh munculnya pengerasan sekunder yang terjadi akibat penyerapan kolubium, titanium atau vanadium karbida. Penyerapan ini dimulai pada temperatur sekitar 950⁰F (510⁰C) dan menjadi makin cepat sampai sekitar 1250⁰F (680⁰C). Penyepuhan pada atau sekitar 1250⁰F untuk mendapatkan penyerapan maksimum dari karbida mungkin akan mengakibatkan masuknya elemen tersebut ke dalam zona transformasi dan hasilnya mikrostruktur menjadi lebih lemah yang mungkin dapat diperoleh tanpa pendinginan dan penyepuhan.

Secara ringkas, pendinginan menghasilkan martensit, suatu mikrostruktur getas yang sangat keras dan kuat ; pemanasan kembali akan sedikit mengurangi kekuatan dan kekerasan, namun akan meningkatkan keuletan dan kekenyalan.

III. Sifat Baja

v Baja tahan garam (acid-resisting steel)

v Baja tahan panas (heat resistant steel)

v Baja tanpa sisik (non scaling steel)

v Electric steel

v Magnetic steel

v Non magnetic steel

v Baja tahan pakai (wear resisting steel)

v Baja tahan karat/korosi

IV Struktur Baja

Struktur dapat dibagi menjadi tiga kategori umum :

a) Struktur rangka (framed structure), dimana elemen – elemennya kemungkinan terdiri dari batang – batang tarik, balok, dan batang – batang yang mendapatkan beban lentur kombinasi dan beban aksial,

b) Struktur tipe cangkang (shell type structure), dimana tegangan aksial lebih dominan,

c) Struktur tipe suspensi (suspension type structure), dimana tarikan aksial lebih mendominasi sistem pendukung utamanya.

a) Struktur Rangka

Kebanyakan konstruksi bangnan tipikal termasuk dalam kategori ini. Bangunan berlantai banyak biasanya terdiri dari balok dan kolom, baik yang terhubungkan secara rigid atau hanya terhubung sederhana dengan penopang diagonal untuk menjaga stabilitas. Meskipun suatu bangunan berlantai banyak bersifat tiga dimensional, namun biasanya bangunan tersebut didesain sedemikian rupa sehingga lebih kaku pada salah satu arah ketimbang arah lainnya. Dengan demikian, bangunan tersebut dapat diperlakukan sebagai serangkaian rangka (frame) bidang. Meskipun demikian, bila perangkaan sedemikian rupa sehingga perilaku batang – batangnya pada salah satu bidang cukup mempengaruhi perilaku pada bidang lainnya, rangka tersebut harus diperlakukan sebagai rangka ruang tiga dimensi.

Bangunan – bangunan industrial dan bangunan – bangunan sau lantai tertentu, seperti gereja, sekolah, dan gelanggang, pada umumnya menggunakan struktur rangka baik secara keseluruhan maupun hanya sebagian saja. Khususnya sistem atap yang mungkin terdiri dari serangkaian kerangka datar, kerangka ruang, sebuah kubah atau mungkin pula bagian dari suatu rangka datar atau rangka kaku satu lantai dengan pelana. Jembatan pun kebanyakan merupakan struktur rangka, seperti balok dan gelagar pelat atau kerangka yang biasanya menerus.

b) Struktur Tipe Cangkang

Dalam tipe struktur ini, selain melayani fungi bangunan, kubah juga bertindak sebagai penahan beban. Salah satu tipe yang umum dimana tegangan utamanya berupa tarikan adalah bejana yang digunakan untuk menyimpan cairan (baik untuk temperatur tinggi maupun rendah), diantaranya yang paling terkenal adalah tanki air. Bejana penyimpanan, tanki dan badan kapal merupakan contoh – contoh lainnya. Pada banyak struktur dengan tipe cangkang, dapat digunakan pula suatu struktur rangka yang dikombinasikan dengan cangkang.

Pada dinding – dinding dan atap datar, sementara berfungsi bersama dengan sebuah kerangka kerja, elemen – elemen “kulit”nya dapat bersifat tekan. Conto pada badan pesawat terbang. Struktur tipe cangkang biasanya didesain oleh seorang spesialis.

c) Struktur Tipe Suspensi

Pada struktur dengan tipe suspensi, kabel tarikmerupakan elemen – elemen utama. Biasanya    subsistem dari struktur ini terdiri dari struktur kerangka, seperti misalnya rangka pengaku pada jembatan gantung. Karena elemen tarik ini terbukti paling efisien dalam menahan beban, struktur dengan konsep ini semakin banyak dipergunakan.

Telah dibangun pula banyak struktur khusus dengan berbagai kombinasi dari tipe rangka, cangkang, dan suspensi. Meskipun demikian, seorang desainer spesialis dalam tipe struktur cangkang ini pun pada dasarnya harus juga memahami desain dan perilaku struktur rangka.

V. Desain

a. Desain Struktur

Desain struktur dapat didefinisikan sebagai suatu paduan dari sains dan seni, yang mengkombinasikan perasaan intuitif seorang insinyur yang berpengalaman mengenai perilaku struktur dengan pengetahuan yang mendalam mengenai prinsip – prinsip statika, dinamika, mekanika bahan dan analisis struktur, untuk menciptakan suatu struktur yang aman dan ekonomis sehingga dapat berfungsi seperti yang diharapkan.

b. Prinsip – prinsip Desain

Desain merupakan suatu proses untuk mendapatkan penyelesaian yang optimum. Dalam desain apapun, harus ditentukan sejumlah kriteria untuk menilai apakah yang optimum tersebut telah tercapai atau belum. Untuk sebuah struktur, kriteria – kriteria tersebut dpat berupa :

1. Biaya minimum,

2. Berat yang minimum,

3. Waktu konstruksi yang minimum,

4. Jumlah tenaga kerja minimum,

5. Biaya pembuatan produk – produk pemilik yang minimum,

6. Efisiensi pengoperasian yang maksimum bagi pemilik.

Biasanya dilibatkan beberapa kriteria yang masing – masing perlu diberi bobot nilai. Dengan memperhatikan kriteria yang mungkin seperti diatas, tampaklah bahwa penentuan kriteria – kriteria yang terukur dengan jelas pun (seperti berat dan biaya) untuk mencapai suatu optimum kerap kali terbukti tidak mudah, bahkan mustahil dilakukan. Dalam kebanyakan situasi praktis, penilaian hanya dapat dilakukan secara kualitatif.

Apabila suatu kriteria tertentu dapat diwujudkan secara matematis, untuk memperoleh titik maksimum dan minimum dari fungsi objektif yang bersangkutan, dapat digunakan teknik – teknik optimasi. namun hendaknya kita tidak melupakan kriteria subyektif lainnya, walaupun pengintegrasian dai prinsip – prinsip perilaku dengan desain elemen – elemen baja struktur hanya berdasarkan kriteria – kriteria objektif yang sderhana saja, misalnya berat dan biaya.

c. Prosedur Desain

Prosedur desain dapat dianggap terdiri dari dua bagian, desain fungsional dan deain kerangka kerja struktural. Desain fungsional menjamin tercapainya hasil – hasil yang dikehendaki seperti :

a. Area kerja yang lapang dan mencukupi,

b. Ventilasi atau pengkondisian udara yang tepat,

c. Fasilitas – fasilitas transfortasi yang memadai, seperti lift, tangga, dan derek atau alat –alat untuk menangani bahan – bahan,

d. Pencahayaan yang cukup,

e. Estetika.

Desain kerangka kerja struktural berarti pemilihan susunan serta ukuran elemen – elemen struktur yang tepat, sehingga beban – beban layanan bekerja dengan aman.

Secara gari besar, prosedur desain secara iteratif dapat digambarkan sebagai berikut :

1) Perencanaan. Penentuan fungsi – fungsi yang akan dilayani oleh struktur yang bersangkutan. Tentukan kriteria – kriteria untuk mengukur apakah desain yang dihasilkan telah mencapai optimum.

2) Konfigurasi struktur pendahuluan. Susunan dari elemen – elemen yang akan melayani fungsi – fungsi pada langkah 1

3) Penentuan beban – beban yang harus dipikul.

4) Pemilihan batang pendahuluan. Pemilihan ukuran batang yang memenuhi kriteria objektif, seperti berat atau biaya minimum dilakukan berdasarkan keputusan dari langkah 1,2 dan 3.

5) Analisis. Analisis struktur dengan membuat model beban – beban dan kerangka kerja struktural untuk mendapatkan gaya – gaya internal dan defleksi yang dikehendaki.

6) Evaluasi. Apakah semua persyaratan kekuatan dan kemampuan kerja telah terpenuhi dan apakah hasilnya sudah optimum? Bandingkan dengan kriteria – kriteria yang telah ditentukan sebelumnya.

7) Redesain. Sebagai hasil dari evaluasi, diperlukan pengulangan bagian mana saja dai urutan 1 sampai dengan 6. Langkah – langkah tersebut merupakan suatu proses iteratif. Namun dengan mengingat bahwa konfigurasi struktur dan pembebanan luar telah ditentukan sebelumnya.