Menentukan kapasitas beban aksial sebuah kolom baja Wide Flange (WF) adalah langkah krusial dalam desain struktur untuk menjamin keamanan dan stabilitas bangunan. Kesalahan perhitungan dapat berakibat fatal, menyebabkan kegagalan struktur. Kapasitas sebuah kolom pada dasarnya ditentukan oleh dua faktor utama: luas penampang profil dan kemampuannya menahan tekuk (buckling).
Perhitungan ini mengacu pada Standar Nasional Indonesia (SNI), khususnya SNI 1729:2020, yang mengatur spesifikasi untuk bangunan gedung struktur baja. Prosesnya melibatkan analisis terhadap geometri kolom, mutu material, dan kondisi tumpuannya untuk mendapatkan nilai kuat tekan nominal yang akurat.
Menurut SNI 1729:2020, rasio kelangsingan (perbandingan antara panjang efektif kolom terhadap radius girasinya) untuk komponen struktur tekan dibatasi tidak boleh melebihi 200. Angka ini menjadi batas kritis untuk mencegah kegagalan akibat tekuk yang berlebihan pada kolom-kolom yang panjang dan ramping.
Apa Saja Data Krusial yang Anda Butuhkan?
Untuk menghitung kapasitas beban aksial, Anda memerlukan data properti penampang dari tabel baja WF (seperti luas penampang dan radius girasi) serta properti material (tegangan luluh dan modulus elastisitas). Data ini menjadi input utama dalam rumus-rumus yang ditetapkan oleh SNI.
Sebelum memulai perhitungan, pastikan Anda memiliki data-data esensial berikut:
Properti Geometri Penampang (Wide Flange WF): Data ini didapatkan dari tabel produsen baja.
- Ag (Luas Penampang Kotor): Total area penampang kolom dalam mm².
- r (Radius Girasi): Kemampuan penampang untuk menahan tekuk. Gunakan nilai terkecil (biasanya terhadap sumbu-y, ry) karena kolom akan menekuk pada sumbu terlemahnya. Satuan dalam mm.
Properti Material Baja:
- Fy (Tegangan Leleh): Titik di mana baja mulai mengalami deformasi plastis (permanen). Untuk baja BJ 37 atau SS400, nilai Fy umumnya adalah 240 MPa.
- E (Modulus Elastisitas): Kekakuan material baja, nilainya konstan untuk semua jenis baja struktural, yaitu 200.000 MPa.
Kondisi Tumpuan dan Panjang Kolom:
- L (Panjang Kolom): Panjang batang kolom yang tidak ditopang secara lateral, dalam mm.
- K (Faktor Panjang Efektif): Konstanta yang bergantung pada jenis tumpuan di kedua ujung kolom (pelat dasar dan sambungan di atasnya). Nilai ini merepresentasikan panjang efektif kolom yang akan mengalami tekuk.
Langkah-Langkah Menghitung Kapasitas Beban Aksial Kolom Baja WF Sesuai SNI
Proses perhitungan melibatkan empat langkah utama: (1) Kumpulkan semua properti penampang dan material. (2) Hitung rasio kelangsingan (KL/r). (3) Tentukan tegangan kritis (Fcr) berdasarkan nilai kelangsingan. (4) Hitung kuat nominal tekan (Pn) dengan mengalikan tegangan kritis dengan luas penampang.
Berikut adalah panduan langkah demi langkah untuk menghitung kapasitas beban aksial kolom baja WF:
Langkah 1: Tentukan Properti Penampang, Material, dan Faktor Panjang Efektif (K)
Kumpulkan semua data yang disebutkan di bagian sebelumnya. Untuk faktor K, gunakan nilai teoritis dan nilai desain yang direkomendasikan SNI berikut:
| Kondisi Tumpuan Ujung | Nilai K (Teoritis) | Nilai K (Desain) |
| Jepit – Jepit | 0.5 | 0.65 |
| Jepit – Sendi | 0.7 | 0.80 |
| Sendi – Sendi | 1.0 | 1.0 |
| Jepit – Bebas | 2.0 | 2.10 |
Langkah 2: Hitung Rasio Kelangsingan (λ)
Rasio kelangsingan adalah parameter paling penting yang menentukan apakah sebuah kolom bersifat pendek (gempal) atau panjang (langsing).
- Rumus: λ = (K * L) / r
- Keterangan:
- K: Faktor panjang efektif.
- L: Panjang kolom (mm).
- r: Radius girasi terkecil (ry) (mm).
Langkah 3: Tentukan Tegangan Kritis Tekuk (Fcr)
Tegangan kritis adalah tegangan maksimum yang dapat ditahan kolom sebelum mengalami tekuk lentur. Perhitungannya terbagi menjadi dua kondisi berdasarkan perbandingan antara rasio kelangsingan (λ) dengan batas kelangsingan (λr).
- Pertama, hitung batas kelangsingan (λr):
- Rumus: λr = 4.71 * √(E / Fy)
- Kedua, tentukan Fcr berdasarkan kondisinya:
- Jika λ ≤ λr (Tekuk Inelastis):
- Rumus: Fcr = [0.658^(Fy / Fe)] * Fy
- Jika λ > λr (Tekuk Elastis):
- Rumus: Fcr = 0.877 * Fe
- Jika λ ≤ λr (Tekuk Inelastis):
- Keterangan:
- Fe (Tegangan Tekuk Elastis Euler): Dihitung dengan rumus Fe = (π² * E) / λ².
Langkah 4: Hitung Kuat Tekan Nominal (Pn) dan Kuat Tekan Desain (φPn)
Kuat tekan nominal adalah kapasitas beban aksial teoritis dari kolom.
- Rumus Kuat Tekan Nominal: Pn = Fcr * Ag
- Rumus Kuat Tekan Desain: φPn = φc * Pn
Dalam metode Desain Faktor Beban dan Ketahanan (LRFD), digunakan faktor reduksi kekuatan (φc) untuk komponen tekan, yang nilainya adalah 0.90. Kapasitas desain (φPn) inilah yang harus lebih besar dari beban terfaktor yang bekerja pada kolom (Pu), yang merupakan kombinasi dari beban mati dan beban hidup.
Tekuk Elastis vs. Inelastis: Apa Bedanya dan Mengapa Penting?
Perbedaan utamanya terletak pada perilaku kegagalan kolom. Kolom pendek/menengah mengalami tekuk inelastis, di mana materialnya leleh sebelum atau saat tekuk terjadi. Sebaliknya, kolom panjang yang langsing mengalami tekuk elastis, di mana kolom gagal karena kehilangan stabilitas jauh sebelum materialnya mencapai tegangan leleh.
Memahami kedua jenis tekuk ini sangat penting karena menentukan rumus Fcr yang harus digunakan.
Tekuk Inelastis (Kolom Pendek/Menengah)
- Terjadi ketika rasio kelangsingan (KL/r) lebih kecil dari batas λr.
- Kegagalan dipengaruhi oleh kekuatan leleh material (Fy). Kolom akan mengalami leleh sebagian sebelum akhirnya menekuk.
- Rumus Fcr untuk kondisi ini memperhitungkan Fy dan Fe, menunjukkan interaksi antara leleh dan tekuk.
Tekuk Elastis (Kolom Panjang/Langsing)
- Terjadi ketika rasio kelangsingan (KL/r) lebih besar dari batas λr.
- Kegagalan murni disebabkan oleh instabilitas geometris (tekuk), sesuai dengan teori Euler. Material masih dalam kondisi elastis saat kolom runtuh.
- Rumus Fcr untuk kondisi ini hanya bergantung pada Fe (Tegangan Euler) dan tidak dipengaruhi oleh Fy. Ini menunjukkan bahwa untuk kolom yang sangat langsing, menambah mutu baja (meningkatkan Fy) tidak akan menambah kapasitas tekuknya.
Identifikasi yang benar antara tekuk elastis dan inelastis adalah kunci untuk memilih formula yang tepat dan mendapatkan hasil perhitungan kapasitas yang akurat.
Contoh Soal: Aplikasi Perhitungan Kapasitas Kolom WF 200x200x8x12
Sebuah kolom WF 200x200x8x12 dengan panjang 5 meter, tumpuan jepit-jepit, dan mutu baja BJ 37 (Fy=240 MPa) memiliki kuat tekan desain (φPn) sekitar 1.236,5 kN atau setara dengan 126 Ton.
Mari kita terapkan langkah-langkah di atas pada sebuah studi kasus nyata.
Data Kolom:
| Properti | Simbol | Nilai | Satuan |
| Profil Baja | – | WF 200x200x8x12 | – |
| Mutu Baja | – | BJ 37 | – |
| Tegangan Leleh | Fy | 240 | MPa |
| Modulus Elastisitas | E | 200.000 | MPa |
| Luas Penampang | Ag | 6.353 | mm² |
| Radius Girasi (sumbu y) | ry | 49,9 | mm |
| Panjang Kolom | L | 5.000 | mm |
| Kondisi Tumpuan | – | Jepit-Jepit | – |
| Faktor Panjang Efektif | K | 0,65 | – |
Perhitungan:
- Hitung Rasio Kelangsingan (λ):
- λ = (K * L) / ry = (0,65 * 5.000) / 49,9 = 65,13
- Hitung Batas Kelangsingan (λr):
- λr = 4.71 * √(E / Fy) = 4.71 * √(200.000 / 240) = 135,97
- Tentukan Kondisi Tekuk dan Hitung Fcr:
- Karena λ (65,13) ≤ λr (135,97), maka kolom mengalami Tekuk Inelastis.
- Hitung Fe terlebih dahulu: Fe = (π² * E) / λ² = (π² * 200.000) / (65,13)² = 465,65 MPa.
- Hitung Fcr: Fcr = [0.658^(Fy / Fe)] * Fy = [0.658^(240 / 465,65)] * 240 = 216,35 MPa.
- Hitung Kuat Tekan Nominal (Pn) dan Desain (φPn):
- Pn = Fcr * Ag = 216,35 MPa * 6.353 mm² = 1.374.255 N atau 1.374,2 kN.
- φPn = 0,90 * Pn = 0,90 * 1.374,2 kN = 1.236,8 kN.
Jadi, kapasitas beban aksial desain untuk kolom WF 200x200x8x12 tersebut adalah sekitar 1.236,8 kN (sekitar 126 ton). Beban total yang bekerja pada kolom ini tidak boleh melebihi nilai tersebut.
Kesimpulan
Menghitung kapasitas beban aksial kolom baja WF adalah proses sistematis yang berpedoman pada SNI 1729:2020. Kunci utamanya adalah identifikasi akurat terhadap properti penampang, mutu material, panjang efektif, dan yang terpenting, penentuan jenis tekuk (elastis atau inelastis) melalui perhitungan rasio kelangsingan.
Selalu pastikan bahwa beban terfaktor (Pu) dari analisis beban kombinasi pada struktur Anda lebih kecil dari kapasitas tekan desain (φPn) yang telah dihitung (Pu ≤ φPn). Jika tidak, Anda perlu mempertimbangkan untuk menggunakan profil baja dengan dimensi profil yang lebih besar, mutu baja yang lebih tinggi (jika tekuk inelastis), atau menambahkan penopang lateral (lateral bracing) untuk mengurangi panjang tekuk efektif (L).
Sebelum melakukan perhitungan detail, lakukan pemeriksaan cepat terhadap rasio kelangsingan (KL/r). Jika nilainya mendekati atau melebihi 200, profil tersebut tidak memenuhi syarat SNI untuk komponen tekan dan harus segera diganti tanpa perlu melanjutkan perhitungan Fcr. Ini akan menghemat waktu dalam tahap desain awal sebuah proyek konstruksi baja.