Dalam konstruksi baja berat, penampang balok seperti Wide Flange (WF) atau H-Beam adalah pemandangan umum. Namun, pernahkah Anda memperhatikan bahwa bagian vertikal di tengahnya, yang disebut web, seringkali terlihat sangat ramping dibandingkan dengan sayap (flange) horizontalnya yang lebar? Meskipun terlihat ramping, fungsi tebal web (tw) adalah sebagai elemen struktural utama yang menahan gaya geser dan mencegah kegagalan fatal pada balok.
Elemen-elemen pada struktur baja memiliki peran yang sangat spesifik. Kesalahan dalam memahami fungsi ini dapat berakibat pada desain yang tidak efisien atau bahkan berbahaya. Faktanya, hampir 90-98% gaya geser yang bekerja pada balok I ditahan oleh web (badan profil). Tebal web menjadi parameter kritis yang menentukan bagaimana balok merespons gaya vertikal yang mencoba “menggunting” atau “menggeser” penampangnya.
Meskipun flange (sayap profil) menyumbang sebagian besar kekuatan lentur sebuah balok, kontribusinya dalam menahan gaya geser sangat kecil. Distribusi tegangan geser secara alami terkonsentrasi di bagian tengah penampang, menjadikan web sebagai garda terdepan dalam perlawanan terhadap geser.
Mengapa Web Menjadi Tulang Punggung Penahan Gaya Geser?
Web menahan sebagian besar gaya geser karena distribusi tegangan geser (shear stress) pada penampang balok tidak merata; tegangan ini mencapai nilai maksimum di sumbu netral (pusat gravitasi balok) dan menurun drastis mendekati nol di ujung atas dan bawah flange. Karena web menempati area di sekitar sumbu netral, ia secara alami memikul beban geser terbesar.
Untuk memahaminya secara konseptual, bayangkan sebuah balok yang dibebani dari atas. Beban ini menciptakan dua jenis gaya internal utama:
- Momen Lentur: Gaya yang mencoba membengkokkan balok, menyebabkan bagian atas tertekan dan bagian bawah tertarik. Gaya ini dilawan secara dominan oleh flange yang letaknya paling jauh dari sumbu netral.
- Gaya Geser: Gaya yang mencoba membuat satu bagian balok bergeser secara vertikal terhadap bagian di sebelahnya, seperti saat Anda menggunting kertas.
Distribusi tegangan geser pada penampang I-beam mengikuti pola parabola, dengan puncak parabola berada tepat di sumbu netral. Area flange yang jauh dari pusat hanya mengalami tegangan geser yang sangat kecil. Sebaliknya, seluruh ketinggian web mengalami tegangan geser yang signifikan. Oleh karena itu, luas penampang web dikalikan dengan tebalnya (Aw = d x tw) menjadi faktor penentu utama dalam menghitung kuat nominal geser sebuah balok.
Potensi Kegagalan Geser: Kapan Web Mencapai Batasnya?
Ketebalan web yang tidak memadai dapat menyebabkan tiga mode kegagalan geser utama sebelum balok mencapai kapasitas lentur penuhnya. Kegagalan ini harus diantisipasi dalam desain elemen struktur baja sesuai standar seperti SNI 1729.
Berikut adalah tiga mode kegagalan geser yang terkait langsung dengan web:
- Geser Leleh (Shear Yielding): Ini adalah mode kegagalan paling dasar, di mana tegangan geser pada web melampaui tegangan luluh (yield strength) material baja. Web akan mengalami deformasi permanen. Ini biasanya terjadi pada balok dengan web yang relatif tebal.
- Tekuk Geser (Shear Buckling / Tekuk Geser): Pada balok dengan web yang sangat ramping (rasio tinggi terhadap tebal, h/tw, yang besar), web dapat menekuk atau bergelombang seperti selembar kertas sebelum materialnya sempat leleh. Kegagalan ini bersifat ketidakstabilan, bukan kegagalan material, dan sangat dipengaruhi oleh rasio kelangsingan web.
- Leleh Lokal atau Lipat (Web Crippling/Yielding): Ini adalah kegagalan lokal yang terjadi pada web tepat di bawah beban terpusat yang besar atau di atas tumpuan. Tekanan vertikal yang tinggi menyebabkan web melipat atau hancur secara lokal. Ketebalan web memainkan peran penting dalam mendistribusikan tekanan ini ke area yang lebih luas.
Seberapa Tebal Seharusnya Web Balok? Analisis Desain dan Mitigasi
Tebal web yang ideal adalah hasil kompromi antara efisiensi material dan kapasitas geser yang dibutuhkan. Web yang terlalu tebal tidak ekonomis dan menambah beban mati (dead load) yang tidak perlu. Sebaliknya, web yang terlalu tipis rentan terhadap tekuk dan mungkin memerlukan perkuatan tambahan berupa stiffener (pengaku baja).
Mari kita timbang kelebihan dan kekurangan dari tebal web:
- Kelebihan Web Tebal:
- Kapasitas Geser Tinggi: Secara langsung meningkatkan luas penampang geser (Aw), sehingga mampu menahan gaya geser yang lebih besar.
- Ketahanan Tekuk Alami: Memiliki rasio kelangsingan (h/tw) yang rendah, membuatnya lebih tahan terhadap tekuk geser tanpa perlu pengaku.
- Desain Lebih Sederhana: Mengurangi atau menghilangkan kebutuhan akan stiffener web, menyederhanakan proses fabrikasi.
- Kekurangan Web Tebal:
- Tidak Ekonomis: Menambah berat total profil baja, yang berarti biaya material lebih tinggi.
- Menambah Beban Mati: Berat tambahan dari balok itu sendiri harus ditopang oleh kolom dan pondasi, meningkatkan beban keseluruhan struktur.
Solusi Mitigasi untuk Web Ramping: Untuk mencapai desain yang efisien, insinyur seringkali menggunakan profil dengan web yang relatif ramping dan menambahkan pengaku vertikal (transverse stiffeners) di sepanjang bentang balok. Pelat-pelat baja ini dilas ke web untuk meningkatkan kekakuan geser dan mencegahnya dari tekuk. Strategi ini menjaga stabilitas struktur sambil mengoptimalkan penggunaan material.
Perbandingan Fungsi: Web (Badan) vs. Flange (Sayap)
Secara sederhana, web dirancang untuk menahan gaya geser vertikal, sementara flange yang lebar dan tebal dirancang untuk menahan momen lentur (gaya tarik dan tekan horizontal). Keduanya bekerja sama untuk memberikan kekuatan dan kekakuan pada balok, namun dengan peran yang sangat berbeda dan terspesialisasi.
Berikut adalah tabel perbandingan fungsi antara web dan flange pada profil baja canai panas seperti Wide Flange (WF) dan H-Beam.
| Kriteria | Web (Badan Profil) | Flange (Sayap Profil) |
| Fungsi Utama | Menahan Gaya Geser | Menahan Momen Lentur |
| Jenis Tegangan Dominan | Tegangan Geser (Shear Stress) | Tegangan Lentur (Tarik & Tekan) |
| Lokasi | Bagian vertikal di tengah profil | Bagian horizontal di atas dan bawah |
| Kontribusi pada Momen Inersia | Relatif Kecil | Sangat Besar (seringkali >85%) |
| Mode Kegagalan Tipikal | Tekuk Geser, Leleh Geser, Web Crippling | Tekuk Lokal Flange, Leleh Akibat Lentur |
Pemisahan fungsi ini adalah alasan mengapa profil I sangat efisien. Material ditempatkan di lokasi yang paling efektif: flange yang tebal diletakkan sejauh mungkin dari sumbu netral untuk memberikan lengan momen terbesar dalam melawan lentur, sementara web yang ramping secara efisien menghubungkan kedua flange dan menahan gaya geser.
Kesimpulan
Tebal web (tw) pada balok baja bukanlah parameter minor; ia adalah komponen fundamental yang menentukan kapasitas geser dan mekanisme kegagalan sebuah balok. Web berfungsi sebagai elemen utama yang menahan tegangan geser yang terkonsentrasi di sekitar sumbu netral. Ketebalan yang cukup sangat penting untuk mencegah kegagalan prematur akibat geser leleh, dan terutama, tekuk geser pada web yang ramping.
Pemahaman yang benar tentang peran web memungkinkan para insinyur dan desainer untuk menciptakan struktur baja yang aman, efisien, dan ekonomis. Desain yang canggih seringkali menyeimbangkan tebal web dengan penggunaan pengaku (stiffeners) untuk mencapai performa optimal tanpa pemborosan material.
Saat merencanakan proyek yang melibatkan elemen struktur baja, selalu pastikan bahwa analisis kapasitas geser telah dilakukan sesuai standar yang berlaku, seperti SNI 1729. Jangan hanya berfokus pada kekuatan lentur balok.
Untuk proyek Anda berikutnya, konsultasikan kebutuhan struktural dengan kontraktor baja di bali yang berpengalaman. Mereka dapat membantu memilih profil baja dengan dimensi web dan flange yang paling efisien untuk menahan kombinasi beban lateral dan vertikal, serta menentukan apakah pengaku diperlukan untuk menjamin stabilitas struktur jangka panjang dan mencegah deformasi (deflection) berlebih.