Penguatan Lutut Struktural pada Bangunan Baja: Apa yang Ditahannya dan Kapan Harus Digunakan

Penahan lutut struktural adalah elemen diagonal pendek di antara kolom dan kasau di atasnya, membentuk segitiga kaku di sudut rangka. Nilainya bergantung pada peran yang diberikan dalam desain: ketahanan terhadap gaya lateral, penahan stabilitas elemen, pengaku sekunder, atau penahan pemasangan. Peran-peran tersebut memiliki persyaratan dan ketentuan yang berbeda, dan satu penahan fisik dapat memenuhi lebih dari satu fungsi sekaligus. Mengidentifikasi peran tersebut harus dilakukan sebelum mempertimbangkan sudut, penampang, atau detail sambungan.

Fungsi Penyangga Lutut Struktural pada Rangka Baja

Penopang lutut pada rangka baja dapat berfungsi sebagai elemen penahan gaya lateral, penopang stabilitas anggota, elemen pengaku sekunder, atau penopang pemasangan, dan fungsinya bergantung pada apa yang tercantum dalam analisis rangka.

Dalam model ideal yang dipin-ujungkan, penyangga menahan tegangan atau kompresi aksial, dan pembalikan arah angin akan menukarnya. Penyangga sebenarnya juga mengalami lenturan akibat kekakuan sambungan, offset anggota, dan eksentrisitas pada gusset. Sebuah sudut tunggal yang dibaut ke satu sisi menahan ketiganya. Fungsi penyangga pada rangka adalah mendistribusikan kembali gaya aksial, geser, dan lenturan di antara kasau, kolom, sambungan, dan fondasi, dalam proporsi yang dihasilkan dari model yang mewakili kekakuan sambungan sebenarnya.

Keempat baris tersebut tidak eksklusif. Satu penyangga fisik dapat berada di dua baris sekaligus, menahan gaya geser rangka sekaligus menahan kolom pada satu titik, dan kedua tuntutan tersebut kemudian ada bersamaan. Gambar standar tidak menunjukkan baris mana yang menjadi tempat penyangga tersebut. Klasifikasi harus dibuat, bukan diasumsikan.

Satu batasan yang perlu disebutkan di awal: artikel ini membahas aplikasi penahan angin dan stabilitas elemen pada rangka bangunan baja konvensional. Penyangga lutut yang dihitung sebagai bagian dari sistem penahan gaya seismik merupakan latihan desain terpisah. Klasifikasi sistem, faktor respons, dan detail daktilitas berasal dari kode bangunan yang berlaku, ASCE 7, dan ketentuan seismik AISC. Sebagian besar literatur rangka dengan penyangga lutut yang muncul dalam pencarian menggambarkan sistem seismik peredam energi, bukan sudut standar pada gambar gudang.

Mengapa Penyangga Lutut Dapat Membebani Anggota Tubuh yang Dipasanginya Secara Berlebihan

Menambahkan penyangga lutut pada rangka baja hanya memindahkan beban, bukan menghilangkannya, sehingga penyangga, kedua sambungan ujung, dan elemen yang menerima gaya tersebut perlu diperiksa sebelum detail tersebut diterima.

Beberapa kondisi batas terbuka sekaligus. Penyangga dapat menekuk karena kompresi, melentur karena tarikan, patah pada penampang bersih, atau gagal karena geser blok. Sambungan dapat gagal karena geser atau tumpuan baut, pada lasan, atau karena tekuk pelat penguat. Balok penerima, kolom, atau batang rangka dapat melentur secara lokal, atau gagal karena tekukan flensa, pelenturan web, atau kerusakan web pada sambungan. Mana yang paling dominan bergantung pada geometri dan detailnya. Gambar tidak mengumumkannya.

Besarnya gaya yang ditahan oleh penyangga bergantung pada kekakuannya relatif terhadap semua yang bekerja sejajar dengannya. Sambungan yang lebih lunak daripada yang diasumsikan dalam model akan menahan gaya yang lebih kecil daripada bagian yang dihitung, dan jalur yang lebih kaku akan menanggung selisihnya. Jumlah baut saja tidak cukup untuk menyelesaikan masalah ini. Ketebalan klip, panjang pelat penguat, jenis lubang, jarak tepi, deformasi bantalan, dan kekakuan elemen di belakang sambungan semuanya memengaruhi hal ini. Kasus yang bermasalah adalah penyangga yang dalam analisis dianggap menahan gaya yang sebenarnya tidak pernah diberikan oleh sambungan, karena tidak ada yang menunjukkan kekurangan tersebut pada bangunan yang sudah jadi.

Pembagian beban yang proporsional terhadap kekakuan juga merupakan titik di mana asumsi umum tentang bangunan berbalut logam menjadi tidak berlaku. Dalam sistem bangunan logam, beban transversal biasanya disalurkan ke rangka yang kaku, dan beban longitudinal ke penguat dinding dan atap yang ditentukan atau ke rangka portal pada bukaan. Lembaran logam menjadi diafragma struktural hanya ketika kekuatan, kekakuan, pengikat, pengumpul, dan jangkar batasnya telah dirancang atau diuji bersama. Panduan Asosiasi Konstruksi Logam tentang klip atap sambungan berdiri mencatat bahwa klip geser yang digunakan pada banyak atap sambungan berdiri tidak memberikan kekakuan diafragma bidang yang terdefinisi. Ikuti logika itu hingga kesimpulan yang tidak dinyatakan dalam gambar mana pun. Ambil dua bangunan identik, satu atap dirancang sebagai diafragma dan satu tidak: penguat lutut yang sama menarik bagian beban yang lebih besar pada bangunan kedua. Tertutup tidak sama dengan diperkuat.

Pengujian rangka tiang skala penuh yang dilaporkan oleh Hansen Pole Buildings menunjukkan hal yang sama, dengan kontribusi terukur dari penyangga lutut menurun seiring peningkatan beban setelah atap lembaran terpasang. Pengujian tersebut menggunakan tiang kayu, rangka kayu, dan sambungan paku, sehingga angka-angka tersebut tidak berlaku untuk baja. Alasan untuk memodelkan setiap jalur paralel tetap berlaku.

Celah kedua terletak pada flensa yang disentuh oleh penyangga. Penyangga balok terhadap tekuk lateral-torsional memerlukan pengendalian puntiran, dan penelitian AISC pada balok dengan titik infleksi menunjukkan bahwa penyangga lateral yang diterapkan pada satu flensa saja tidak mencegah mode tersebut. Penyangga lutut pada bidang rangka menahan pergerakan dalam bidang pada titik di mana ia terhubung. Penyangga ini tidak menahan flensa bagian dalam di luar bidang, itulah sebabnya penyangga terbang dan penyangga flensa ada sebagai detail terpisah yang membentang dari purlin atau girt kembali ke flensa tersebut. Penyangga lutut bidang rangka tidak boleh dianggap mengurangi panjang yang tidak ditopang di luar bidang, atau dengan penyangga flensa tekan atau torsional, kecuali geometri dan sistem pendukungnya memberikan pengekangan yang diperlukan.

Penyangga Lutut vs. Rangka Penyangga, Rangka Kaku, dan Penyangga Flensa

Memilih antara penyangga lutut, penyangga berbentuk X, rangka kaku melintang, rangka portal memanjang, dan penyangga flensa bergantung pada apa yang harus tetap bebas di dalam bentang dan seberapa besar pergeseran lateral yang dapat ditoleransi oleh struktur tersebut.

Di mana penyangga lutut dan bentang yang ditopang tumpang tindih, jadwal pembukaan biasanya yang menentukan. Bentang yang menampung pintu rol tidak dapat menampung X setinggi penuh. Penyangga lutut yang melewati bagian atas pintu kemudian menjadi salah satu pilihan di antara beberapa pilihan. Rangka portal atau penyangga portal pada bukaan, bentang yang ditopang yang dipindahkan, bentang penahan momen, dan penopang yang dipasang di atas bagian atas semuanya juga menjaga bukaan. Kami membandingkan pilihan-pilihan tersebut dengan jadwal pembukaan dan batas pergeseran sebelum menetapkan tata letak rangka, karena pilihan tersebut menjadi mahal untuk dibalik setelah bentang dirinci. Bentang mana di seluruh bangunan yang membawa penopang silang adalah keputusan tingkat bangunan. Begitu pula tata letak keseluruhan sistem penopang rangka baja , dan keduanya tidak ditentukan satu sudut pada satu waktu.

Variabel yang Menentukan Sudut, Ukuran, dan Titik Pemasangan Penyangga Lutut

Geometri penyangga lutut ditentukan oleh empat variabel yang saling berinteraksi: titik pemasangan pada kolom, sudut penyangga yang diukur dari sumbu tertentu, penampang dan sambungan di setiap ujung, dan kekuatan yang tersedia dari elemen yang menerima gaya.

Sudut tidak berarti apa-apa sampai sumbunya diberi nama. Ambil θ sebagai sudut dari horizontal dan perlakukan penyangga sebagai ujung berengsel. Untuk memberikan gaya horizontal H di sudut, penyangga menanggung gaya aksial H / cos θ, dan mendorong komponen vertikal H · tan θ ke dalam kasau. Keduanya meningkat seiring dengan semakin curamnya penyangga. Penyangga yang lebih dangkal adalah elemen yang lebih panjang, menjangkau lebih jauh di sepanjang kasau, dan mengambil lebih banyak ruang kosong di bawah atap. Pertimbangan terletak di tempat yang tidak ditunjukkan dalam gambar. Penyangga yang curam melindungi ruang kepala dan memberikan gaya aksial dan dorongan vertikal ke kasau. Penyangga yang datar mengurangi gaya-gaya tersebut dan malah menghabiskan ruang. Keduanya bukanlah standar. Dalam rangka nyata, lenturan elemen, kekakuan sambungan, beban gravitasi, dan respons orde kedua menempatkan gaya-gaya yang mengatur dalam analisis, bukan pada sudut yang disukai.

Detail preskriptif sudut 45 derajat memang ada. Ketentuan Kode Perumahan Kentucky untuk konstruksi rangka dan tiang mengharuskan penggunaan penyangga lutut 2×6 dari kolom ke batang atas rangka atap pada sudut 45 derajat, dengan pemasangan dan penurunan yang ditentukan berdasarkan tabel. Aturan tersebut terbatas pada konstruksi rangka dan tiang kayu perumahan di satu yurisdiksi. Detail preskriptif yang ditulis untuk kayu yang dipaku tidak memiliki wewenang atas rangka baja yang dibaut, dan menyalin sudut di berbagai material hanya menyalin geometri tanpa asumsi yang mendasarinya.

Titik sambungan memiliki masalah yang sama secara terbalik. Memindahkan sambungan ke bawah kolom membaginya menjadi dua segmen dengan panjang yang berbeda, pengekangan ujung yang berbeda, dan distribusi momen yang berubah: yang bawah lebih pendek, yang atas lebih panjang. Segmen mana dan mode tekuk mana yang menentukan berasal dari pemeriksaan stabilitas elemen, bukan dari asumsi bahwa sambungan yang lebih rendah berarti panjang tanpa penahan yang lebih pendek.

Tetapkan dua dari empat variabel sebelum membahas yang lainnya. Konfirmasikan perannya terlebih dahulu, karena penahan gaya lateral dan penahan stabilitas diukur berdasarkan persyaratan yang berbeda, dan klasifikasi tersebut mengubah tampilan detail yang memadai. Kemudian konfirmasikan kekuatan yang tersedia dari elemen tempat penahan tersebut berada, karena pemeriksaan itulah yang paling mungkin membatalkan detail dan paling mahal untuk diperbaiki setelah fabrikasi. Sudut, penampang, dan pola baut masih perlu dikerjakan, tetapi revisi gambar hanya membutuhkan biaya kecil. Itulah mengapa hal-hal tersebut dibahas di urutan kedua.

Perlu dijelaskan secara gamblang: pada bangunan tertutup dengan sistem penguat yang dirancang di kedua arah dan kasau yang sudah diperiksa bebannya, penguat lutut (knee bracing) seringkali merupakan pengeluaran untuk detail yang tidak banyak mengubah keadaan. Penguat lutut diperlukan jika sistem penguat yang ditentukan tidak ada atau terputus, jika suatu bagian harus tetap terbuka, atau jika elemen tertentu membutuhkan titik penguat yang tidak dapat disediakan oleh hal lain.

Hal yang Perlu Diverifikasi Sebelum Detail Penyangga Lutut Disetujui

Verifikasi detail penyangga lutut dilakukan pada gambar dan perhitungan, karena pertanyaan yang menentukan hal tersebut adalah apakah elemen penerima dan sambungannya dirancang untuk menahan gaya yang diberikan oleh penyangga tersebut.

• Peran struktural yang diberikan pada penyangga, dan model di baliknya: hanya tegangan, elemen rangka, elemen kerangka, atau pegas.
• Gaya penahan dan arahnya, tertulis pada detail tersebut.
• Balok penerima, kolom, atau batang rangka yang diberi nama, dengan tanda centangnya muncul di suatu tempat dalam rangkaian perhitungan.
• Kedua sambungan ujung dirinci dengan kelompok baut atau las yang ditentukan, termasuk setiap eksentrisitas antara garis tengah penyangga dan sambungan.
• Dimensi penurunan pada kolom dan sudut penyangga keduanya diberi dimensi pada gambar.
• Pembebanan terbalik tercakup: penyangga yang mampu menahan kompresi memerlukan pemeriksaan stabilitas, penyangga yang hanya mampu menahan tegangan memerlukan jalur lengkap untuk arah yang berlawanan.
• Kekakuan penyangga yang dibutuhkan dinyatakan di mana pun penyangga tersebut dianggap sebagai titik penyangga stabilitas.
• Penahan di luar bidang pada elemen yang ditunjukkan secara terpisah, karena penyangga lutut tidak menyediakannya.
• Apakah atap dan dindingnya berupa diafragma yang direkayasa atau hanya berupa pelapis, karena itu menentukan apa lagi yang menanggung beban.

Dua kondisi lokasi mengubah arti dari celah dalam daftar tersebut. Pada bangunan dengan sistem penguat yang dirancang, di mana penguat tersebut merupakan kontributor sekunder, perhitungan yang hilang merupakan celah dokumentasi. Pada gudang, kanopi, atau paviliun terbuka yang tidak pernah menerima sistem penguat dinding atau atap, penguat dan sambungannya mungkin merupakan jalur beban, dan kelalaian yang sama merupakan celah desain. Kami memverifikasi mana dari kedua kondisi tersebut yang terjadi pada bangunan sebelum menyetujui detailnya. Dalam konstruksi bangunan logam pra-fabrikasi, penguat seringkali datang sebagai sudut standar dengan penguat berlubang, mudah ditambahkan di lokasi dan sama mudahnya ditambahkan tanpa pengecekan.

Dari Mana Memulai Pemasangan Penyangga Lutut pada Bangunan Baja Anda?

Penguatan struktural pada bagian lutut perlu ditentukan jika suatu bentang harus tetap terbuka atau sistem penguatan yang ditentukan tidak ada, dan perlu dipertanyakan jika pekerjaan tersebut sudah dilakukan. Dua hal yang menentukan adalah: peran yang diberikan pada penguat, dan kekuatan yang tersedia dari elemen yang ditopangnya. Sudut dan penampang mengikuti dari hal tersebut, dan keduanya masih dapat diubah dengan biaya murah saat gambar masih terbuka.

Pola yang paling sering menyebabkan pengerjaan ulang adalah penambahan penyangga di tahap akhir pada rangka yang kasaunya sudah dirancang tanpa penyangga tersebut. Kami mengklarifikasi peran penyangga sebelum gambar rangka dikirim, karena klasifikasi tersebut menentukan pemeriksaan apa yang harus dilewati detail tersebut.

Jika penyangga lutut sudah ada pada gambar Anda, tiga hal menunjukkan apakah itu dirancang atau diwarisi: gaya penyangga yang tertulis pada detail, penurunan dan sudut yang berdimensi, dan perhitungan yang mencakup kasau atau batang rangka pada titik pemasangan. Untuk penyangga yang diusulkan pada rangka yang sudah berdiri, mulailah dengan kekuatan yang tersedia dari anggota yang akan ditopangnya. Penampang dan sudut menyusul setelah itu.

FAQ (Pertanyaan Umum)