Bahan Konstruksi Teknik, Sifat Fisika, Deformasi, Perubahan Bentuk

Bahan Konstruksi Teknik

Sebuah bangunan pada dasarnya terbentuk dari ratusan, bahkan ribuan elemen-elemen bangunan. Elemen-elemen bangunan tersebut bisa dikelompokkan menjadi :

• Elemen struktur dan
• Elemen non-struktur

Penjelesan : 

Elemen struktur adalah bagian yang memiliki peran utama dalam kekokohan atau kekuatan sebuah bangunan, menahan aksi mekanika dari gaya-gaya yang bisa saja terjadi pada bangunan tersebut.

Elemen non-struktur adalah merupakan pelengkap dari sebuah bangunan, seperti partisi atau pembatas antar ruang, ornamen, penyekat dan lain sebagainya.

Perlu pengetahuan mengenai material atau bahan berserta sifatnya supaya kita bisa menentukan ketepatan dalam pemilihan jenis serta bahan yang sesuai dengan fungsinya. Disamping itu juga sebagai dasar dalam penentuan teknis, biaya, atau estetika maupun pertimbangan lainnya.

Sifat Fisika

Volume, Berat serta Hubungannya

Sifat mendasar dari sebuah benda adalah berat (W) dan Volume (V). Volume benda terdiri atas volume bagian padat dan volume bagian tidak padat. Bagian tidak padat berasal dari volume rongga yang dikenal dengan pori-pori (void) baik yang terisi oleh air (pori terbuka) maupun yang tidak terisi oleh air (pori tertutup).

Berat benda adalah berat bagian padat dan berat air yang memenuhi sebagian atau seluruh pori-pori, sedang berat udara yang mengisi sisa ruang pori-pori dianggap nol.

Koefisien Pelunakan adalah perbandingan kekuatan bahan pada saat jenuh air terhadap kekuatan bahan pada saat kering :

• merupakan indikator ketahanan bahan terhadap air.
• bila nilai koefisien > 0,80 bahan tahan air (water proof).

Pelolosan (Permeability) Air dan Gas : parameter yang menyatakan kemampuan/kekedapan bahan untuk melewatkan air atau gas melalui satu satuan luas selapisan bahan. Dipengaruhi oleh porositas, ukuran pori, kadar air bahan, beda tekanan dan ketebalan bahan.

Penghantaran panas : jumlah panas (kcal/mjam 0C) yang dialirkan melalui 1 m tebal lapisan bahan seluas 1 m2 selama 1 jam pada setiap 1 0C. 

Kapasitas panas : kemampuan bahan untuk menyerap panas oleh setiap berat bahan untuk menaikkan setiap 1 0C temperatur bahan.

Ketahan bakar : kemampuan bahan untuk tidak menyala atau sulit menyala atau mudah menyala ketika dibakar.

Ketahanan terhadap api (fire proof) : ketahanan bahan untuk melebur pada suatu tingkat suhu. Katagori sebagai bahan tahan api :

• tinggi jika tidak melebur pada suhu sampai 1580 0C
• sedang jika melebur pada suhu 1350o C – 15800C dan
• rendah jika melebur pada suhu di bawah 13500 C.

Keawetan : keawetan bahan merupakan kemampuan untuk bertahan/tidak rusak akibat pengaruh kondisi lingkungan (suhu, kelembaban, zat asam, atau zat lainnya atau juga rayap dan lain-lain).

Sifat Mekanik : adalah respon suatu benda terhadap gangguan berupa gaya dari luar. penting dalam bidang teknik sipil, dapat dibagi dalam dua katagori, yaitu :

• tegangan (stress) : merupakan respon dalam bentuk gaya dalam,
• deformasi yang merupakan respon berupa perubahan bentuk.

Tegangan

Tegangan Aksial (Axial Stresses) : adalah tegangan pada suatu elemen struktur dengan arah sejajar dengan sumbu memanjang (aksial) elemen

Tegangan Lentur (Bending Stresses) : adalah tegangan pada elemen struktur yang muncul/timbul akibat adanya lenturan/momen lentur, momen lentur disebabkan oleh beban-beban tegak lurus sumbu memanjang elemen yang bekerja, dimana serat atas mengalami tekan dan serat bawah mengalami tarik.

Tegangan Geser/Lintang (Shear Stresses) : tegangan yang bekerja ┴ sumbu memanjang elemen. Umumnya tegangan geser terbesar berada pada garis netral kemudian mengecil dan akhirnya nol pada serat tampang terjauh/tepi penampang.

Tegangan Geser Puntir (Torsional Stresses) : tegangan yang timbul akibat terpuntirnya/terputarnya elemen terhadap sumbu memanjang.

T : Momen Torsi r : Jari-jari : Inertia Polar

Deformasi/Perubahan Bentuk

Suatu bahan akan mengalami perubahan bentuk (deformasi) akibat dikenai beban. Perubahan bentuk dapat bersifat menetap atau sementara, karenanya mekanisme deformasi dibedakan dalam :

• Deformasi Elastis, merupakan jenis perubahan bentuk yang akan hilang (kembali kebentuk semula) ketika beban ditiadakan.
• Deformasi Plastis, merupakan jenis perubahan bentuk yang tetap ada meskipun sudah tidak dibebani/beban dihilangkan.

Deformasi pada suatu benda, yang jika dikaitkan dengan dimensi benda, disebut dengan regangan (strain), diekspresikan dalam perbandingan perubahan dimensi terhadap dimensi awal dan menurut arahnya terbagi dalam jenis :

• regangan aksial/transversal/lateral,
• regangan geser (shear Strain)
• regangan rotasi (Rotational Strain)

Kekuatan (Strength) : ukuran besarnya gaya yang dapat ditahan sampai saat bahan mengalami kerusakan.

Ketangguhan (Toughness) : besarnya energi yang dapat diserap oleh suatu benda sampai saat mengalami kerusakan.

Kekerasan (Hardness) : ketahanan benda terhadap penetrasi pada permukaannya dipresentasikan dengan luasan daerah lekukan penetrasi (Bilangan Kekerasan Brinell/BKB) atau Kedalaman Penetrasi (Kekerasan Rockwell).

Keuletan (Ductility) : kemampuan suatu bahan untuk mengalami perubahan bentuk (secara bolak balik) sambil mempertahankan sebagian kekuatannya.

Relaksasi : peristiwa semakin berkurangnya (secara bertahap) tegangan intern bahan pada saat menerima peregangan secara tetap.

Histeresa : peristiwa tertinggalnya respon regangan dari pada respon tegangan pada saat menerima pembebanan bolak-balik. Rayapan (Creep) : peristiwa bertambahnya regangan plastis suatu bahan  yang mengalami  tegangan  tetap  yang besar  dalam  jangka waktu yang lama pada temperatur tertentu.

Hubungan Tegangan dan Regangan

Tegangan (stress) merupakan respon dalam bentuk gaya dalam dan deformasi yang merupakan respon perubahan bentuk, terjadi akibat suatu benda dikenai beban. 

Hubungan antara tegangan dan regangan umumnya disajikan dalam bentuk grafik (diagram) yang dibentuk dari sekumpulan data hasil uji laboratorium, baik uji tarik ataupun uji tekan. 

Dari diagram tegangan-regangan, dapat diketahui perilaku meka-nika yang dapat dijadikan sebagai parameter karakteristik yang berkaitan  dengan  kekuatan (menahan  beban)  dan  ketahanan (menahan perubahan bentuk) suatu bahan. 

Diagram tegangan-regangan pengujian pembebanan tarik baja me-miliki bagian-bagian yang lengkap, dapat menjelaskan perilaku bahan berkenaan dengan interaksi antara tegangan dengan regangan. Diagram ini terdiri dari segmen-segmen daerah elastis, plastis, perkuatan regangan dan konstraksi luasan tampang, sehingga dapat menjelaskan perilaku suatu bahan.

Daerah Elastis dan Batas Sebanding. 

Daerah elastis (0 – a) : daerah dimana akibat pertam-bahan beban, mengakibatkan pertambahan tegangan (σ) juga menyebabkan pertam-bahan regangan (ε), dimana hubungan  σ dan ε linier

(garis kurva relatif lurus). JuJuggaa  bbiillaa  bbeebbaann  ddiikukurraannggii berakibat tegangan berkurang dan ternyata regangan juga berkurang, sehingga membentuk kurva turun yang berakhir kembali dititik 0 bila beban dihilangkan sama sekali. Lintasan kurva turun sama dengan lintasan kurva naik bila beban sampai batas elastis.

Kemungkinan lain, kondisi tegangan dan regangan bertambah sehingga membentuk kurva naik sampai titik 2, dan bila tegangan dan regangan berkurang, lintasan kurva turun tidak selintasan kurva naik dan tidak berakhir di titik 0, disebut elastis sebagian/tidak sempurna, kondisi ini memberikan regangan-sisa.

Bahan dengan perilaku elastis memberikan hubungan tegangan dan regangan yang linier disebut elastis linear, jika hubungan tersebut tidak linier maka disebut elastis non-linier. Kebanyakkan bahan padat  bersifat  elastis linier.

Hubungan linier antara tegangan dengan regangan ini sangat penting, terutama untuk menentukan nilai Modulus Elastisitas/Modulus Young (E) dan Modulus Kenyal. Nilai Modulus Elastisitas tergantung kemiringan kurva tegangan-regangan pada daerah linier, dan menurut Hukum Hooke dinyatakan :

Tegangan dan regangan pada akhir dari garis linier disebut batas 

sebanding σp dan εp. Luas daerah dibawah garis sebanding (daerah diarsir) disebut Modulus kenyal, secara numeris dinyatakan

Tegangan dan regangan pada akhir daerah elastis disebut batas elastis (σe dan εe) yang terletak sedikit diatas batas sebanding, atau di awal kurva mulai melengkung. Sesungguhnya batas elastis sulit ditetapkan, dan umumnya batas ini didekati dengan membuat garis sejajar  bagian  kurva  yang  linier,  yang memotong  kurva dan ditarik dari regangan 0,2 %.

Daerah Pelelehan atau Plastis Sempurna

Sedikit melewati batas elastis terdapat suatu titik yang disebut titik/batas leleh (yield point), sebagai awal dari kondisi dimana bahan mulai mengalami pertambahan regangan tanpa adanya pertambahan tegangan (daerah pelelehan atau plastis sempurna). Deformasi bahan yang terjadi pada daerah ini merupakan regangan permanen atau menetap (plastis). Daerah ini juga diawali oleh bagian kurva yang naik turun tak beraturan,  kemudian akan mendatar (disebut yield plateau) dan berakhir pada titik diman kuva  akan  menajak kembali.

Nilai tegangan pada garis mendatar disebut tegangan leleh (σy) yang digunakan dalam perhitungan analisis dan perencanaan. Tetapi pada kurva dimana yield plateau tidak terlihat dengan jelas, digunakan nilai lain,  yaitu nilai  σ0,2.

Daerah perkuatan Regangan (strain hardening) dan Konstraksi Luas Tampang

Daerah ini berupa kurva cembung dengan titik puncaknya adalah tegangan maksimum (kuat ultimit) dan berakhir pada titik putus (benda uji tarik putus) dengan nilai tegangan disebut tegangan putus/patah (fracture).

Setelah daerah pelelehan, tegangan meningkat yang disebut strain hardening, kemudian diikuti terjadinya pengecilan penampang (konstraksi  luasan  penampang), lalu  benda  uji  (tarik) puts.

Jika pada daerah konstraksi luasan tampang, tegangan dihitung berdasarkan luasan tampang yang mengecil (bukan luasan tampang awal), maka kurva akan tergambar sebagai garis putus-putus.