Desain Kekuatan Sambungan Geser Tunggal Menggunakan Paku pada Lima Jenis Kayu Indonesia

Disusun Oleh :
1. Riezky Rakamuliawan Sutanto
2. Sucahyo
3. Naresworo Nugroho

ABSTRAK

Standar Nasional Indonesia (SNI) 7973 (2013) adalah standar yang umum digunakan dalam penentuan konstruksi kayu di Indonesia. Dalam SNI-7973 terdapat cara penentuan nilai desain sambungan kayu secara teoritis yang saat ini masih mengadopsi nilai-nilai yang diperoleh dari National Desain Specification (NDS) (2012). NDS sendiri disusun berdasarkan sifat-sifat kayu berdaun jarum yang umum digunakan di Amerika. Nilai-nilai yang diadopsi tersebut tentunya meningkatkan resiko ketidaksesuaian jika digunakan langsung di Indonesia, hal ini karena Indonesia sebagai negara tropis memilki kayu dengan rentang berat jenis yang lebih besar dan didominasi oleh kayu berdaun lebar dengan struktur anatomi yang berbeda. Penelitian ini membandingkan nilai desain sambungan kayu yang diperoleh dari pengujian secara empiris dengan nilai desain sambungan yang dihasilkan secara teoritis berdasarkan SNI-7973 dan Eurocode 5 (EC-5) (2004). Hasil penelitian menunjukan nilai desain sambungan kayu terendah diperoleh pada sambungan kayu Paraserienthes falcataria menggunakan paku 10 cm sebesar 53.66 kgf dan nilai tertinggi diperoleh pada sambungan kayu Shorea laevifolia menggunakan paku 15cmsebesar 149.89 kgf. Penentuan nilai desain teoritis SNI-7973 menghasilkan nilai lebih rendah sebesar 13.65% sedangkan EC-5 menghasilkan nilai lebih tinggi 8.87% dibandingkan nilai yang diperoleh pada pengujian empiris.

Kata-kata Kunci: Nilai desain, eurocode 5, SNI-7973, sambungan kayu geser tunggal.

1.            Pendahuluan

Saat ini kayu masih menjadi bahan baku konstruksi yang diminati oleh masyarakat di Indonesia. Beberapa nilai positif yang membuat kayu disukai adalah mudah dikerjakan, memiliki kekuatan yang cukup dan memiliki nilai estetika tinggi. Sebagai bahan konstruksi, kayu dapat digunakan untuk membuat berbagai macam struktur dari struktur dengan skala kecil sampai dengan besar. Agussalim (2010) menyatakan saat ini kayu yang ada di pasaran memiliki keterbatasan dalam ukuran, baik lebar maupun bentangnya. Hal tersebut dipengaruhi oleh kayu sebagai bahan alami yang pertumbuhannya terbatas dan efisiensi dalam hal pengangkutan. Salah satu cara mengatasi keterbatasan kayu dalam hal ukuranadalah sambungan kayu. Tular dan Idris (1981) menyatakan sambungan merupakan titik terlemah dari suatu konstruksi sehingga membutuhkan metode yang tepat dalam menyambung agar dapat menerima dan menyalurkan gaya yang bekerja kepadanya. Surjokusumo, et al.(1980) menyatakan kekuatan sambungan kayu sangat dipengaruhi oleh komponen pembentuk sambungan, yaitu balok kayu yang akan disambung, alat sambung dan bentuk sambungan.

Salah satu tipe alat sambung yang umum digunakan untuk menyambung kayu di Indonesia adalah alat sambung tipe dowel. Dowel adalah alat sambung mekanik dengan bentuk berpenampang bulat.Beberapa contoh alat sambung dowel antara lain adalah paku, baut, dan pasak. Di Indonesia paku menjadi alat sambung yang populer digunakan karena memiliki berbagai kelebihan antara lain harganya murah, pemasangan mudah, sambungan bersifat kaku dan memiliki kekuatan cukup. Sudah banyak penelitian yang dilakukan tentang sambungan kayu seperti yang dilakukan oleh Awaludin,et al.(2007), Sandhaas, et al.(2013), dan Hassan, et al.(2013) yang menyatakan bahwa sambungan kayu dipengaruhi oleh berat jenis kayu, kadar air kayu, diameter dowel, dan arah pembebanan. Sadiyo (2011) menyatakan nilai desain lateral sambungan kayu ganda dengan plat besi mengalami peningkatan seiring dengan meningkatnya berat jenis, kerapatan, dan diameter alat sambung.

Sejauh ini penentuan nilai desain sambungan kayu tidak hanya dapat dilakukan dengan melakukan pengujian empiris, tetapi juga dapat diperoleh secara teoritis. SNI-7973 (2013) sebagai standar yang umum digunakan oleh peneliti dan desainer konstuksi kayu di Indoneia menyediakan formula matematis dan nilai-nilai yang dapat digunakan untuk menghitung nilai desain suatu sambungan secara teoritis. Formula dan nilai-nilai tersebut bila dilihat lebih lanjut merupakan adopsi dari National Design Specification (NDS) (2012) dalam AWC (2012). NDS adalah standar penentuan konstruksi kayu yang digunakan di Amerika.Pada standar tersebut nilai-nilai dan formula matematis didalamnya disusun berdasarkan nilai alat sambung dan jenis kayu yang umum digunakan di Amerika. Hal ini tentunya meningkatkan potensi ketidaksesuaian terhadap nilai-nilai yang tertera pada SNI-7973 (2013), karena Indonesia sebagai negara beriklim tropis didominasi oleh kayu berdaun lebar, memiliki variasi jenis yang lebih banyak, dan rentang berat jenis yang lebih lebar.

Tujuan penelitian ini adalah untuk mempelajari perilaku dan mengevaluasi pengaruh berat jenis kayu, diameter paku dan kombinasi berat jenis kayu terhadap nilai desain sambungan kayu tunggal berbagai jenis kayu tropis di Indonesia. Penelitian ini juga diharapkan dapat mengevaluasi perhitungan nilai desain sambungan kayu yang ditetapkan berdasarkan SNI-7973 (2013) dengan kondisi empiris sambungan kayu menggunakan kayu yang umum digunakan di Indonesia.

 

2.            Bahan dan Metode Penelitian

2.1       Bahan dan Alat Penelitian

Bahan penelitian yang digunakan adalah lima jenis kayu Indonesia dengan berat jenis rendah hingga tinggi yaitu : kayu sengon (Paraserienthes falcataria) mewakili rentang berat jenis 0.3 -0.4, kayu jabon (Anthocephalus cadamba)bmewakili rentang berat berat jenis 0.4-0.5, kayu meranti merah (Shorea spp) mewakili rentang berat berat jenis 0.5 -0.6, kayu mersawa (Anisoptera marginata) mewakili rentang berat berat jenis 0.6-0.7 dan kayu bangkirai (Shorea laevifolia) mewakili rentang berat berat jenis 0.7 -0.8. Ukuran kayu yang digunakan pada penelitian ini adalah 6 x 12 x 400 cm, yang diperoleh dari tempat penjualan kayu yang berada di sekitar kampus IPB Dramaga, Bogor.

Jenis paku yang digunakan yaitu : paku diameter 0.42 cm dengan panjang 10 cm, paku diameter 0.47 cm dengan panjang 12 cm dan paku diameter 0.52 cm dengan panjang 15 cm

Peralatan yang digunakan pada penelitian ini antara lain : gergaji mesin, gergaji besi, mesin serut, kaliper, timbangan elektrik, oven, mesin bor, dan UTM (Universal Testing Machine) merek Instron 3379.

2.1  Metode Pengujian

Pengujian sifat fisis meliputi pengujian kadar air, kerapatan dan berat jenis kayu berdasarkan British Standart (BS) 373 (1957). Pengujian sampel sifat fisis dilakukan dengan pengulangan sebanyak 10 kali pada masing-masing jenis kayu. Penentuan nilai desain sambungan kayu tunggal menggunakan dua metode yaitu metode teoritis berdasarkan SNI-7973 (2013) dan Eurocode 5 (EC-5) (2004) dan metode empiris dengan melakukan pengujian langsung pada sampel sambungan kayu.

Untuk menghitung nilai desain sambungan kayu tunggal secara teoritis SNI-7973 (2013) telah menyediakan enam jenis formula yang dapat digunakan. Enam jenis formula tersebut merepresentasikan kemungkinan yang terjadi pada sebuah sambungan kayu tunggal seperti yang ditunjukan pada Gambar 1. Tabel 1 menyajikan enam formula perhitungan nilai desain sambungan kayu berdasarkan SNI-7973 (2013). Penentuan nilai kuat lentur paku (F) dan nilai kuat tumpu paku (F) yang dibutuhkan dalam menghitung nilai desain teoritismenggunakan nilai dan persamaan yang tertera pada SNI-7973 (2013). Nilai F paku dengan diameter 0.45 cm sebesar 6328 kg/cm dan paku dengan diameter 0.46-0.55 cm sebesar 5624 kg/cm. Nilai Fdiperoleh dengan menggunakan persamaan F= 114.5G, dimanaG adalah berat jenis kayu yang diukur pada kondisi kadar air dibawah 20%. Penentuan nilai desain sambungan kayu tunggal secara teoritis menggunakan dimensi balok yang sama dengan penentuan nilai desain empiris sebesar 40x4.5x5 cm pada masing-masing sisi.

Gambar 1. Mode kerusakan sambungan geser

Tabel 1. Formula perhitungan sambungan kayu tunggal

SNI-7973 (2013)

Selain perhitungan nilai desain teoritis menggunakan standar SNI-7973 (2013) yang merupakan standar yang diadopsi dari NDS yang digunakan di Amerika, pada penelitian ini juga dilakukan perhitungan nilai desain teoritis dengan menggunakan standar penentuan konstruksi kayu yang digunakan pada di Eropa yaitu EC-5 (2004). Penentuan nilai desain menggunakan EC-5 (2004) sama seperti yang digunakan pada SNI-7973 (2013) yaitu menggunakan enam formula perhitungan yang telah disediakan. Formula tersebut menggambarkan mode kerusakan yang diperkirakan terjadi pada sambungan tunggal seperti yang tertera pada Gambar 1. Nilai yang digunakan sebagai nilai desain adalah nilai terendah dari ke-enam formula tersebut. Tabel 2 menyajikan enam formula perhitungan menurut EC-5 (2004).

Tabel 2. Formula perhitungan sambungan kayu tunggal EC-5 (2004)

Pada EC-5 penentuan nilai leleh lentur paku karakteristik,nilai kuat tumpu karakteristik dan kapasitas cabut paku karakteristik menggunakan persamaan empiris yang telah disediakan oleh EC-5. Nilai momen leleh karakteristikpaku dihitung dengan rumus dimana fu=144.42 N/mm, sedangkan kekuatan benam paku karakteristik ke dalam kayu dihitung dengan rumus dimana d=diameter paku, dan G=berat jenis kayu. Nilai kapasitas cabut paku karakteristikdihitung menggunakan rumus dimana l= penetrasi paku.

Untuk mengetahui kehandalan formula yang digunakan pada SNI-7973 (2013) dan EC-5 (2004) dalam memprediksi nilai desain sambungan kayu di Indonesia, dilakukan perbandingan nilai desain sambungan kayu yang diperoleh secara teoritis dengan nilai desain sambungan kayu secara empiris. Nilai desain sambungankayu tunggal secara empiris diperoleh denganmelakukan pengujian langsung terhadap sambungan yang telah di buat (Gambar 2). Sambungan dibuat menggunakan balok kayu berukuran 40x4.5x5 cm pada masing-masing sisi. Pembebanan tarik dilakukan dengan target pergeseran 1 cm menggunakan kecepatan 0.1 mm/detik.

Selanjutnya ditentukan besaran nilai desain empiris sambungan kayu tunggal yang disusun berdasarkan format ASD (Allowable Stress Design) menggunakan metode statistik sesuai standar ASTM D 2915-10 (2010). Nilai hasil pengujian sambungan kayu dihitung dengan melakukan perpotongan grafik beban-defleksi dengan garis linier offset 5% diameter alat sambung. Kemudian nilai tersebut disusun distribusinya sebagai distribusi normal dan dicari nilai kekuatan karakteristiknya (5% Exclusion Limit). Untuk dapat dibandingkan dengan nilai desain teoritis dilakukan penyesuaian berupafaktor durasi beban dan kadar air. Besarnya nilai kekuatan nilai desain empiris dapat dihitung dengan rumus:

2.2  Rancangan Percobaan dan Analisis Data

Untuk melihat pengaruh berat jenis kayu, diameter paku dan kombinasi berat jenis kayu terhadap nilai desain sambungan kayu, maka data hasil pengamatan diolah dan dianalisis menggunakan metode statistik rancangan acak lengkap faktorial.Sebagai perlakuan yaitu faktor A (kombinasi jenis kayu) terdiri dari 15 variasi yang tertera pada Tabel 3, B (diameter paku) terdiri dari 3 variasi B= paku 0.42 cm, B= paku 0.47 cm dan B= paku 0.52 cm. Dalam setiap satuan percobaan dilakukan tiga kali ulangan sehingga jumlah keseluruhan sampel yang diuji adalah 135 buah sambungan kayu. Model matematika yang digunakan untuk rancangan ini adalah :

 

3.           Hasil dan Pembahasan

3.1  Sifat Fisis

Salah satu karakteristik kayu sebagai bahan alami adalah bersifat higroskopis, menyesuaikan dengan kondisi sekitarnya kayu dapat menyerap dan melepaskanair di dalamnya. Berbagai studi telah dilakukan tentang hubungan kadar air dengan kekuatan kayu, Haygreen dan Bowyer, et al.(1996) menyatakan tingginya nilai kadar air didalam kayu berbanding terbalik dengan kekuatan kayu, karenanya nilai kadar air menjadi salah satu parameter yang penting untuk diperhatikan dalam hubungan kayu untuk menerima beban. Pada penelitian ini seluruh contoh uji yang digunakan dikondisikan di bawah nilai kadar air kering udara daerah penelitian yang bertempat di Bogor -Indonesia yaitu sebesar 19%. Gambar 3 menunjukan nilai kadar air kayu yang digunakan dalam penelitian.

Nilai kadar air tertinggi diperoleh kayu mersawa dengan rata-rata sebesar 19.04% dan terendah pada kayu bangkirai dengan rata-rata sebesar 15.35%. Meskipun sudah dilakukan tindakan pengeringan yang sama masih terdapat perbedaan nilai kadar air diantara kelima kayu yang digunakan, hal ini terkait dengan kemampuan dari masing-masing kayu untuk melepas air. Suhardianto (2013) menyatakan keluarnya air dari dalam kayu dipengaruhi oleh karakteristik anatomi penyusun kayu, kandungan zat ekstraktif, dan tilosis yang ada dalam kayu selain ukuran ketebalan dinding sel kayu itu sendiri.

Sama seperti kadar air, kerapatan dan berat jenis kayu memiliki peranan yang penting dalam hubungannya dengan kekuatan. Kerapatan dan berat jenis kayu berbanding lurus dengan kekuatannya. Pada penelitian ini pemilihan jenis kayu di desain dengan menggunakan lima rentang berat jenis kayu tropis dari kayu dengan berat jenis rendah sampai kayu dengan berat jenis tinggi sebagaimana tertera pada Gambar 4. Dari Gambar 4 juga dapat diketahui bahwa kerapatan lima jenis kayu yang digunakan lebih tinggi daripada berat jenisnya, hal ini dikarenakan adanya perbedaan kadar air pada saat dilakukan pengukuran. Nilai berat jenis kayu terendah terdapat pada kayu sengon dengan nilai rata-rata sebesar 0.33 dan terbesar pada kayu bangkirai sebesar 0.80.

3.2  Nilai Desain

3.2.1        Nilai Desai Rujukan Teoritis SNI-7973 (2013)

Penentuan nilai desain rujukan teoritis (Z) berdasarkan SNI-7973 (2013) menggunakan formula dan variabel kunci yang telah disediakan. Variabel pendukung yang digunakan pada formula menyesuaikan dengan dimensi kayu, berat jenis kayu dan diameter paku yang sama dengan penentuan nilai desain empiris. Gambar 5 menyajikan hasil penentuan nilai Z teoritis berdasarkan SNI-7973 (2013). Nilai Z terendah diperoleh pada sambungan yang menggunakan kayu sengon pada kedua sisi dengan paku 0.42 cm sebesar 45.88 kgf sedangkan nilai Z tertinggi diperoleh pada sambungan dengan kayu bangkirai di kedua sisinya dengan paku 0.52 cm sebesar 125.16 kgf. Dari Gambar 5 dan Gambar 6 dapat diketahui bahwa nilai desain rujukan teoritis SNI-7973 (2013) berbanding lurus dengan berat jenis kayu, dan diameter paku. Semakin tinggi berat jenis kayu dan semakin besar diameter paku yang digunakan akan menghasilkan nilai desain rujukan yang semakin tinggi berdasarkan SNI-7973 (2013). Fenomena ini sejalan dengan penelitian yang dilakukan oleh Ziannita (2009) yang melaporkan kecenderungan yang sama.

Pada sambungan kayu tunggal, SNI-7973 (2013) menyediakan enam formula perhitungan nilai desain berdasarkan mode kerusakan yang akan terjadi ketika diberikan pembebanan. Dari enam formula perhitungan yang digunakan nilai terendah diperoleh pada mode ke IV pada seluruh sambungan, dimana pada mode ini terjadi kerusakan pada paku dan pada kedua bagian kayu (Gambar 7). Penentuan nilai Z berdasarkan SNI-7973 (2013) menggunakan nilai terendah yang diperoleh pada seluruh mode sebagai nilai yang digunakan dalam perencanaan sebagai faktorkeamanan. Mode dengan nilai Z terendah digunakan karena pada mode tersebut diprediksi akan terjadi kerusakan pada sambungan kayu terlebih dahulu dibandingkan dengan metode lainnya.

3.2.2        Nilai Desain Rujukan Teoritis Berdasarkan Eurocod 5 EC-5 (2004)

Hasil perhitungan nilai desain teoritis (Z) berdasarka EC-5 (2004) per masing-masing ukuran paku disajikan pada Gambar 8. Sama seperti nilai Z menurut SNI-7973 (2013), nilai Z EC-5 (2004) terendah diperoleh pada sambungan kayu sengon dengan kayu sengon menggunakan paku 0.42 cm sebesar 60.80 kgf dan nilai tertinggi pada sambungan kayu bangkirai dengan kayu bangkirai menggunakan paku 0.52 cm sebesar 137kgf

Secara umum penentuan nilai Z berdasarkan SNI-7973 (2013) dan EC-5 (2004) menunjukan kecenderungan yang sama. Semakin tinggi kombinasi berat jenis sambungan kayu maka semakin besar nilai Z yang dihasilkan. Selain berat jenis kayu, diameter paku juga turut menentukan nilai Z . Gambar 9 menunjukan nilai Z EC-5 (2004) berdasarkan ukuran paku pada seluruh sambungan. Semakin besar diameter paku nilai Z yang dihasilkan akan semakin tinggi dengan koefisien determinasi mencapai 0.99. Pada penentuan nilai Z berdasarkan EC-5 (2004) nilai terendah diperoleh pada mode F, dengan kerusakan terjadi pada paku dan pada kedua bagian kayu.

3.2.3        Nilai Desain Empiris

Nilai desain (Z) empiris sambungan kayu diperoleh dengan cara melakukan pengujian langsung terhadap sambungan kayu yang telah dibuat. Nilai Z empiris diperoleh dengan cara menentukan titik perpotongan dari kurva beban -defleksi terhadap garis garis offset 5% diameter paku(Gambar 10). Dalam Tjondro (2007), metode ini diadopsi dari teori batas leleh yang diperkenalkan Johansen yang dapat diaplikasikan pada berbagai material. Hasil pengujian nilai desain empiris dapat dilihat pada Gambar 11. Hasil pengujian nilai Z empiris menunjukan kecenderungan yang sama dengan pengujian nilai desain teoritis berdasarkan SNI-7973 dan EC-5 (2004), semakin tinggi berat jenis kayu yang digunakan semakin tinggi nilai pula yang dihasilkan. Besarnya diameter paku yang digunakan juga mempengaruhi nilai Z empirisyang dihasilkan. Hubungan diameter paku dengan nilai Z empiris disajikan pada Gambar 12.

Serupa dengan nilai desain teoritis SNI-7973 (2013) dan EC-5 (2004), metode penentuan nilai desain empirismenunjukkan kecenderungan yang sama dengan koefisien determinasi sebesar 0.97. Semakin besar ukurandiameter paku maka nilai Z empiris yang dihasilkan semakin besar. Pengujian statistik dilakukan untuk melihat pengaruh dari berat jenis dan ukuran alat sambung. Hasil pengujian statistik menunjukan bahwa interaksi antara kombinasi jenis kayu dan ukuran paku tidak berpengaruh nyata terhadap hasil nilai desain empiris. Sedangkan untuk faktor kombinasi jenis kayu dan ukuran paku yang menunjukan pengaruh signifikan terhadap nilai kuat tumpu.

3.3                Perbandingan Nilai Desain Teoritis dan Empiris

Penentuan nilai desain secara teoritis dibuat untuk memudahkan perencana konstruksi kayu dalam mendesain bangunan kayu. Dengan penentuan nilai desain teoritis, peneliti tidak pelu melakukan pengujian destruktif untuk dapat mengetahui kapasitas struktur sambungan kayu. Pada penelitian ini dilakukan perbandingan nilai desain teoritis berdasarkan SNI-7973 (2013) dan EC-5 (2004) dengan nilai desain empiris untuk dapat mengetahui kehandalan formula dan variabel yang digunakan dalam penentuan nilai desain. Perbandingan antara nilai desain teoritis dan empiris disajikan pada Gambar 13.Seluruh model sambungan kayu yang dihitung berdasarkan SNI-7973 (2013) menghasilkan nilai yang lebih rendah dibandingkan penentuan nilai desain berdasarkan EC-5 (2004) maupun empiris (Gambar 13). Perbedaan nilai desain yang diperoleh secara teoritis pada SNI-7973 (2013) dan EC-5 mungkin terjadi karena perbedaan faktor keamanan yang ditetapkan pada kedua formula tersebut, hal ini terkait kebijakan masing-masing Negara dalam menentukan besaran faktor keamanan.

Hal lain yang menyebabkan perbedaan nilai desain teoritis antara SNI-7973 (2013) dengan EC-5 (2004) adalah dasar penentuan variabel yang digunakan. Hal ini diungkapkan oleh Almeida dan Dias (2016) yang menyatakan penentuan nilai Femenutur NDS (2012) yang diacu oleh SNI-7973 (2013) menggunakan batas leleh 5% offset diameter sedangkan EC-5 (2004) menggunakan nilai maksimum, perbedaan ini juga menjelaskan kenapa nilai Z berdasarkan EC-5 (2004) lebih besar pada semua sambungan dibandingkan SNI-7973. Pada dasarnya nilai desain secara teoritis harus selalu lebih rendah daripada nilai desain aktual, hal ini dikarenakan ekspektasi berlebih dalam penentuan kekuatan bahan berbahaya bagi struktur. Ketika struktur diharapkan mampu menopang beban yang lebih besar dari yang sebenarnya dapat ditopang bukan tidak mungkin struktur akan rusak akibat beban. Tabel 4 menyajikan selisih nilai desain secara teoritis dan empiris. Selisih nilai desain pada Tabel 4 menunjukan perbedaan nilai desain secara teoritis dengan nilai desain empiris yang  dianggap sebagai kapasitas sambungan yang sebenarnya. Perhitungan mengikuti SNI-7973 (2013) menunjukkan terjadinya depresiasi nilai sebesar13.65%, sedangkan menggunakan EC-5 (2004) terjadi over-Estimate nilai desain sebesar -8.87%. Walaupun memiliki selisih pendugaan yang lebih besar, SNI-7973 (2013) dapat menjadi prediktor yang lebih baik dalam menentukan nilai desain sambungan dibandingkan EC-5 karena nilai yang diperoleh menggunakan EC-5 (2004) lebih besar daripada nilai desain sebenarnya.