Memilih Antara Sambungan Baut dan Las: Sebuah Studi Perbandingan

Pendahuluan

Sambungan baut dan las merupakan dua metode perakitan yang dominan dalam struktur baja modern dan sistem mekanis. Makalah ini menawarkan perbandingan komprehensif dari teknik sambungan ini, menganalisa keunggulan, keterbatasan, dan aplikasi optimal masing-masing dalam konteks fabrikasi dan konstruksi baja.

Integritas dan kinerja struktur baja pada dasarnya bergantung pada efektivitas penyambungan komponen-komponen terpisah, seperti pelat dan profil, menjadi satu kesatuan yang kohesif. Pemilihan dan pelaksanaan metode sambungan pada titik-titik kritis ini secara signifikan berdampak tidak hanya pada kualitas struktur tetapi juga pada efisiensi biaya dan konstruktivitas proyek secara keseluruhan. Oleh karena itu, desain sambungan memainkan peran penting dalam menentukan keberhasilan struktur baja di berbagai industri.

Secara historis, struktur baja menggunakan beragam teknik penyambungan, termasuk cotter pin, baut, paku keling, dan las. Namun, evolusi ilmu material, praktik teknik, dan metodologi konstruksi telah menyebabkan usangnya metode-metode tertentu. Khususnya, sambungan cotter pin dan paku keling telah ditiadakan dalam konstruksi baja kontemporer karena keterbatasannya dalam hal kekuatan, efisiensi, dan kemampuan beradaptasi. Oleh karena itu, analisis ini akan fokus secara eksklusif pada dua jenis sambungan yang dominan dalam fabrikasi baja modern: sambungan baut dan las.

Dengan mengkaji metode-metode sambungan ini secara rinci, makalah ini bertujuan untuk memberikan wawasan yang berharga kepada para insinyur, fabrikator, dan manajer proyek untuk menginformasikan proses pengambilan keputusan dalam desain dan perakitan struktur baja. Perbandingan ini akan mencakup faktor-faktor seperti kinerja struktural, kemudahan instalasi, kontrol kualitas, pertimbangan biaya, dan kesesuaian untuk kondisi lingkungan dan pembebanan yang berbeda.

I. Sambungan yang Dilas

Sambungan las dibentuk melalui perpaduan batang las dan komponen yang akan disambung, memanfaatkan panas yang dihasilkan oleh busur listrik. Saat bahan cair mendingin dan mengeras, bahan tersebut membentuk lapisan las yang mengintegrasikan bagian-bagian yang terpisah ke dalam struktur yang menyatu.

Dalam konstruksi baja modern, sambungan las merupakan metode penyambungan yang dominan. Pengelasan busur manual dan pengelasan busur terendam otomatis (atau semi-otomatis) adalah teknik yang paling banyak digunakan dalam industri ini.

Keuntungan

Struktur yang dilas menawarkan beberapa keuntungan dibandingkan dengan sambungan baut:

(1) Menghilangkan pelemahan penampang melintang: Sambungan las tidak memerlukan pengeboran, sehingga menjaga integritas struktural komponen. Tidak adanya elemen penghubung tambahan menyederhanakan konstruksi, menghasilkan penghematan tenaga kerja dan material. Efektivitas biaya ini adalah salah satu keuntungan paling signifikan dari sambungan las.

(2) Sifat struktural yang ditingkatkan: Struktur yang dilas memberikan penyegelan yang unggul, kekakuan tinggi, dan integritas keseluruhan yang sangat baik. Geometri yang rumit, seperti sambungan berbentuk Y dan T antara pipa baja, lebih mudah dicapai dengan pengelasan dibandingkan dengan sambungan baut atau metode penyambungan alternatif.

Kekurangan

Terlepas dari manfaatnya, sambungan las menghadirkan tantangan tertentu:

(1) Efek termal: Suhu tinggi yang terlibat dalam proses pengelasan dapat mengubah sifat material di zona yang terpengaruh panas (HAZ).

(2) Kekhawatiran kualitas las: Lapisan las dapat mengandung berbagai cacat, dan logam dasar yang berdekatan dengan las dapat mengalami penggetasan lokal. Masalah-masalah ini dapat menyebabkan konsentrasi tegangan dan potensi perambatan retak di dalam struktur.

(3) Implikasi kekakuan struktural: Kekakuan tinggi dari struktur yang dilas dapat memfasilitasi perambatan retak di seluruh rakitan. Karakteristik ini, dikombinasikan dengan potensi kerapuhan pada suhu rendah, memerlukan pertimbangan yang cermat dalam desain dan pemilihan material.

(4) Tegangan sisa: Pendinginan dan penyusutan yang tidak merata selama proses pengelasan dapat menimbulkan tegangan sisa di dalam struktur. Tegangan internal ini dapat menyebabkan luluh lokal yang prematur di bawah beban dan mengurangi tegangan tekuk kritis pada member kompresi.

(5) Distorsi geometris: Ekspansi dan kontraksi termal diferensial selama pengelasan dapat mengakibatkan deformasi residual, seperti lengkungan pada pelat baja datar.

Untuk mengurangi tantangan ini, sangat penting untuk menerapkan langkah-langkah pencegahan selama fase desain, fabrikasi, dan instalasi. Kepatuhan terhadap standar nasional "Spesifikasi Penerimaan Kualitas untuk Rekayasa Struktur Baja" sangat penting untuk pemeriksaan dan penerimaan sambungan las.

Memastikan sambungan las berkualitas tinggi memerlukan pendekatan yang komprehensif, termasuk:

• Pemilihan material yang cermat, dengan mempertimbangkan faktor-faktor seperti kemampuan las dan kondisi servis
• Desain jahitan las yang dioptimalkan untuk meminimalkan konsentrasi tegangan
• Pengembangan dan penerapan prosedur pengelasan yang kuat
• Mempekerjakan tukang las yang terampil dan bersertifikat
• Pengujian non-destruktif (NDT) dan protokol inspeksi yang disempurnakan

Dengan mengatasi faktor-faktor ini, risiko kegagalan las yang rapuh dapat dikurangi secara signifikan, sehingga menghasilkan struktur baja yang lebih aman dan andal.

II. Koneksi Baut

Sambungan baut menyatukan komponen melalui penggunaan baut, jenis pengikat. Ada dua jenis sambungan baut: sambungan baut standar dan sambungan baut berkekuatan tinggi.

1. Jenis Baut

Baut yang digunakan pada sambungan struktural baja diklasifikasikan ke dalam dua kategori utama: baut standar dan baut berkekuatan tinggi. Baut standar biasanya memiliki kepala heksagonal dan diklasifikasikan sebagai A, B, dan C, masing-masing dengan karakteristik dan aplikasi yang berbeda.

Baut Grade C biasanya dibuat dari baja Q235, menggunakan baja bulat canai panas. Baut kasar ini memiliki persyaratan yang relatif ringan untuk fabrikasi lubang baut, sehingga diadopsi secara luas pada sambungan baut standar yang tidak terlalu membutuhkan presisi.

Sebaliknya, baut standar Grade A dan B direkayasa secara presisi, menuntut toleransi manufaktur yang lebih ketat untuk baut dan lubang baut yang sesuai. Meskipun kualitasnya lebih tinggi, baut standar umumnya dipasang menggunakan kunci pas manual tanpa persyaratan pra-ketegangan khusus.

Baut berkekuatan tinggi dalam struktur baja memiliki arti khusus. Pemasangannya melibatkan kunci pas yang dirancang khusus yang memastikan tegangan awal yang ditentukan pada baut, sehingga menghasilkan tekanan awal yang ditentukan pada permukaan kontak pelat yang terhubung. Ketegangan awal ini sangat penting untuk integritas struktural dan kapasitas penahan beban sambungan.

Untuk mencapai nilai pra-tegangan yang diperlukan, baut berkekuatan tinggi dibuat dari baja berkekuatan tinggi. Penting untuk diperhatikan bahwa meskipun baut standar Grade A dan B juga dapat dibuat dari baja berkekuatan tinggi, namun tetap diklasifikasikan sebagai baut standar karena metode pemasangan dan kurangnya persyaratan pra-tegangan.

Baut berkekuatan tinggi dikategorikan ke dalam kelas performa, dengan 8,8 dan 10,9 menjadi yang paling umum dalam aplikasi struktural. Baut ini biasanya dibuat dari baja karbon sedang atau baja paduan, yang mengalami proses perlakuan panas (quenching dan tempering) untuk meningkatkan sifat mekanisnya.

Baut berkekuatan tinggi kelas 8.8 memiliki kekuatan tarik minimum (fub) 800 N/mm², dengan rasio kekuatan luluh 0.8. Baut 10.9 yang bermutu lebih tinggi menawarkan kekuatan yang lebih besar lagi, dengan kekuatan tarik minimum 1000 N/mm² dan rasio kekuatan luluh 0,9. Sifat mekanik yang unggul ini membuat baut berkekuatan tinggi ideal untuk sambungan struktural yang kritis di mana kapasitas penahan beban yang tinggi dan ketahanan terhadap kelelahan sangat penting.

Ketika memilih jenis baut untuk struktur baja, para insinyur harus mempertimbangkan faktor-faktor seperti persyaratan beban, jenis sambungan, metode pemasangan, dan kondisi lingkungan untuk memastikan kinerja dan keamanan yang optimal dari rakitan struktural.

2. Jenis-jenis Sambungan Baut

Sambungan baut lebih disukai pada struktur baja karena efisiensi, kesederhanaan, dan persyaratan keahlian yang lebih rendah dibandingkan dengan pengelasan. Sambungan ini menempati urutan kedua setelah sambungan las dalam frekuensi penggunaan. Sambungan baut dikategorikan ke dalam sambungan baut standar dan kekuatan tinggi, masing-masing diklasifikasikan lebih lanjut berdasarkan kondisi tegangan: sambungan tahan geser, tahan tegangan, dan gabungan tahan geser dan tegangan.

Sambungan baut standar biasanya menggunakan baut berulir kasar (Grade C). Ketahanan gesernya ditentukan oleh kekuatan geser poros baut dan ketahanan kompresi dinding lubang, sedangkan ketahanan tarik tergantung pada kapasitas tarikan aksial baut. Sambungan ini terutama digunakan pada komponen sekunder yang tidak secara langsung terkena beban dinamis, seperti penyangga, strip gosok, balok dinding, rangka kecil, dan struktur yang dapat dilepas. Untuk sambungan di tempat di mana baut berada di bawah tekanan, baut berulir kasar biasanya digunakan karena ketahanan tariknya yang unggul.

Baut berulir halus (Grade A dan B) digunakan pada sambungan konvensional yang membutuhkan ketahanan geser yang tinggi. Namun, karena fabrikasi yang rumit, persyaratan pemasangan yang ketat (jarak bebas minimal antara baut dan lubang), dan biaya yang lebih tinggi, baut ini sering kali digantikan oleh sambungan gesek baut berkekuatan tinggi.

Sambungan tipe bantalan baut berkekuatan tinggi memiliki kesamaan material, beban awal, dan persyaratan pemasangan dengan sambungan tipe gesekan. Perbedaan utamanya terletak pada mekanisme daya dukung utamanya. Setelah mengatasi gesekan, pelat yang terhubung akan tergelincir relatif terhadap satu sama lain, yang menyebabkan kegagalan baut melalui geseran dan kompresi dinding lubang. Hal ini menghasilkan daya dukung yang lebih tinggi dibandingkan dengan sambungan gesek, sehingga memungkinkan penghematan material. Namun, deformasi slip pasca gesekan membatasi aplikasinya pada struktur yang menanggung beban statis atau secara tidak langsung mengalami beban dinamis. Persyaratan persiapan permukaan tidak seketat sambungan gesek, hanya memerlukan pembersihan minyak dan karat yang lepas.

Meskipun sambungan tipe bantalan memiliki kinerja yang mirip dengan baut standar, preload pada poros baut dan penggunaan baja berkekuatan tinggi meningkatkan kinerjanya melebihi sambungan baut standar. Hal ini menjadikannya pilihan yang berharga dalam aplikasi struktural tertentu di mana kapasitas beban yang lebih tinggi diperlukan tanpa kerumitan koneksi tipe gesekan.

3. Keuntungan dan Kerugian Sambungan Baut

Keuntungan dari koneksi baut:

1. Perakitan yang disederhanakan: Mereka menawarkan proses konstruksi yang tidak berbelit-belit dan pemasangan yang efisien, khususnya menguntungkan untuk perakitan di tempat dalam berbagai kondisi lingkungan.
2. Fleksibilitas: Sambungan yang dibaut memberikan kemampuan adaptasi yang sangat baik untuk pembongkaran dan pemasangan kembali, sehingga ideal untuk struktur modular, instalasi sementara, dan komponen yang memerlukan perawatan atau penggantian yang sering.
3. Kontrol kualitas: Baut dan mur yang sudah dibuat sebelumnya memastikan kekuatan dan keandalan yang konsisten, sehingga memungkinkan jaminan kualitas yang lebih mudah dibandingkan dengan sambungan yang dilas.
4. Penyambungan yang tidak merusak: Tidak seperti pengelasan, sambungan baut tidak mengubah sifat material dari komponen yang disambung, sehingga menjaga integritas struktural dan ketahanan terhadap korosi.

Kerugian dari koneksi baut:

Kerentanan terhadap korosi: Antarmuka antara komponen yang dibaut dapat memerangkap kelembapan dan serpihan, yang berpotensi mempercepat korosi jika tidak disegel atau dilindungi dengan benar.

Peningkatan kompleksitas manufaktur: Mereka memerlukan pengeboran lubang yang tepat pada pelat, yang harus disejajarkan secara akurat selama perakitan. Hal ini meningkatkan waktu produksi, biaya, dan potensi kesalahan.

Persyaratan presisi yang lebih tinggi: Toleransi yang ketat sangat penting untuk kesesuaian dan distribusi beban yang tepat, sehingga menuntut tindakan kontrol kualitas yang lebih ketat selama fabrikasi dan perakitan.

Mengurangi luas penampang: Lubang baut melemahkan penampang efektif komponen, sehingga berpotensi mengurangi kapasitas penahan bebannya dan memerlukan kompensasi melalui peningkatan ketebalan material atau penguatan tambahan.

Kerumitan struktural: Bagian yang terhubung sering kali membutuhkan elemen sambungan yang tumpang tindih atau tambahan (misalnya, pelat buhul, baja siku), sehingga meningkatkan kompleksitas keseluruhan struktur dan konsumsi material.

Pertimbangan pemeliharaan: Sambungan yang dibaut mungkin memerlukan pemeriksaan dan pengencangan ulang secara berkala karena potensi pelonggaran akibat beban dinamis atau siklus termal, sehingga memerlukan protokol perawatan yang berkelanjutan.

Konsentrasi tegangan: Lubang baut dapat menciptakan titik konsentrasi tegangan, yang berpotensi menimbulkan masalah kelelahan pada struktur yang mengalami pembebanan siklik.