Dasar-dasar perhitungan statis
Kayu merupakan ciptaan alam dan karena struktur anatominya, merupakan bahan bangunan yang tidak homogen. Hal ini dapat diumpamakan dengan seikat tabung, yang disusun secara paralel dan melingkar di sekeliling inti pohon — cincin atau cincin tahunan — yang dimana-mana mempunyai penampang dan ketebalan dinding yang berbeda, yaitu kayu awal dan kayu akhir.
Kekuatan kayu bergantung pada kondisi di mana kayu itu tumbuh, dan sebagian besar dipengaruhi oleh cacat kayu, ketidakteraturan perkembangan, usia kayu pada saat ditebang dan digunakan, dan terutama kelembabannya.
Nilai kekuatan rata-rata tidak hanya berbeda pada individu pohon pada areal yang sama, namun pada pohon yang sama juga mengalami penurunan dari ujung yang paling tebal ke ujung yang paling tipis. Pada penampang melintang, cincin tahunan termuda di bawah kulit kayu mewakili kayu terbaik dan terkeras. Seorang ahli kehutanan hanya dapat mempengaruhi sifat-sifat kayu secara terbatas, sedangkan pengguna hampir tidak mampu mengubah sifat kekuatan dengan cara yang sederhana.
Kekuatan tekan
Tekanan searah serat
Saat memeriksa benda uji, yang sebagian besar berpenampang persegi, kegagalan terjadi karena dinding sel serat terpelintir menjadi rongga, di mana pemuaian melintang yang sebelumnya dinyatakan dengan jelas tidak dapat ditentukan. Permulaan tekuk ini terjadi pada tempat-tempat yang memiliki ketidakteraturan struktur kecil, yang dalam banyak kasus bahkan tidak terlihat dari luar, atau dimulai dari permukaan tekan atas atau bawah.
Tekanan yang diizinkan untuk kayu jenis konifera — baik itu cemara, pinus atau cemara — ditetapkan pada 8,5 MPa, dan untuk kayu larch pada 9 MPa. Untuk kayu keras, oak atau beech adalah 10 MPa.
Secara umum, kuat tekan rata-rata sebenarnya, setidaknya untuk kayu ek, tidak lebih tinggi dibandingkan tumbuhan runjung, namun nilai ini masih dapat dibenarkan karena kayu keras praktis hanya digunakan dalam potongan kecil dalam konstruksi, sehingga kayu dengan simpul yang lebih besar atau kayu yang perkembangannya tidak beraturan dapat dihindari. Kayu ek dilebih-lebihkan. Pohon ek muda, yang berumur hingga 30 tahun, tampak jauh lebih keras dan kuat dibandingkan kayu pohon yang lebih tua.
Kelas mutu I memungkinkan kekuatan kayu jenis konifera hingga 11 MPa, untuk larch 11,5 MPa, dan untuk oak dan beech 12 MPa. Dengan kelas mutu III, ditentukan nilai 6 MPa untuk kayu jenis konifera, dan 7 MPa untuk kayu oak dan beech.
Tekanan tegak lurus arah serat
Pada arah tegak lurus serat, fenomena keruntuhan berbeda dengan fenomena akibat tekanan searah serat. Kekuatan di bawah tekanan transversal terutama bergantung pada kekuatan yang ditunjukkan oleh jumlah kayu awal yang tidak dipadatkan dalam lingkaran tahunan. Kayu akhir, yang menjadi sandaran nilai kekuatan di bawah tekanan aksial, di bawah tekanan transversal berperan sebagai distribusi beban.
Saat memeriksa tangan yang menunjukkan besarnya gaya, tangan tersebut secara konstan mempertahankan posisi tertinggi yang didudukinya. Dalam kasus bagian yang terbebani penuh, kekuatan di bawah tekanan yang tegak lurus terhadap serat untuk tumbuhan runjung adalah dari 1/7 hingga 1/10 nilai kekuatan searah serat, dan untuk kayu keras dari 1/3 hingga 1/5 nilai kekuatan pada arah serat.
Kekuatan tarik
Kekuatan tarik diuji pada tingkat yang jauh lebih rendah dibandingkan kekuatan tekan. Hal ini mungkin disebabkan oleh fakta bahwa produksi dan pengujian benda uji yang sesuai memakan waktu dan mahal.
Ketidakteraturan struktur kayu terlihat jelas pada kekuatan tariknya. Mirip dengan kekuatan di bawah tekanan, selain lebar kayu gelondongan, proporsi kayu akhir juga sangat penting. Kegagalan kayu awal terjadi sebelum kegagalan kayu akhir, sehingga kekuatan kayu awal dan akhir tidak dapat ditambah. Pengaruh simpul dan ketidakteraturan perkembangan lebih nyata dibandingkan pada kuat tekan. Setiap tikungan atau gelombang yang disebabkan oleh kedekatan simpul, yang tidak harus ditempatkan pada tongkat, cukup untuk mengurangi kekuatan putus hingga seperempat dari kekuatan tarik kayu tanpa cacat.
Tempat terlemah pada elemen tarik adalah pada simpul-simpul konstruksi, dimana pelemahan akibat takikan pada otak paling besar. Di sini, khususnya pada bagian pipi yaitu garter, terdapat tegangan akibat tekukan yang tidak termasuk dalam perhitungan.
Tekanan yang diperbolehkan untuk kayu jenis konifera dari kelas mutu I adalah 10,5 MPa, dan untuk kayu oak dan beech 11 MPa. Untuk elemen tarik, tidak termasuk penggunaan bahan dari mutu kelas III.
Alat untuk menguji kekuatan tarik kayu.
Kekuatan lentur
Asumsi yang menjadi dasar perhitungan pembengkokan Navier juga dapat diterapkan pada kayu, namun hanya pada beban rendah. Pada beban yang lebih tinggi, terjadi perpindahan sehingga tegangan tepi aktual akibat tekanan lebih rendah dari yang dihitung, sedangkan gambaran sebaliknya diperoleh untuk tegangan akibat tarik. Garis nol sebenarnya bergerak ke sisi sempit.
Gambar 1 dan 2 — Rekahan elemen dan distribusi tegangan selama pembengkokan.
Kekuatan lentur yang dihitung pada saat keruntuhan adalah 1,4 hingga 2 kali kuat tekan dan, dengan beberapa pengecualian, lebih kecil dari kuat tarik. Jika simpul dan ketidakteraturan terjadi di dekat momen maksimum dan tegangan tepi maksimum, maka akan terjadi reduksi hingga 50%.
Perlu ditekankan bahwa kekuatan lentur di bawah pembebanan statis jangka panjang kira-kira setengah dari kekuatan lentur yang ditentukan dengan cara biasa. Jika beban yang dibebani seluruhnya atau sebagian sering diulang, maka kapasitas beban akan terus berkurang tergantung pada sejauh mana kontribusi beban bergerak terhadap beban total.
Tegangan lentur yang diperbolehkan untuk kayu lunak mutu kelas III adalah 7 MPa, dan untuk mutu kelas II dan I masing-masing ditentukan 10 MPa dan 13 MPa. Untuk tumpuan menerus tanpa sambungan dari dua kelas terakhir, tegangan 11 MPa dan 14 MPa diberikan, karena tumpuan tersebut menunjukkan keamanan yang lebih besar.
Saat menentukan dimensi balok yang terkena lentur, dalam banyak kasus yang digunakan bukanlah tegangan lentur, melainkan lendutan yang diijinkan. Untuk balok struktur mezzanine, defleksi akibat beban permanen atau berguna tidak boleh melebihi kisaran 1/300. Untuk balok dengan tumpuan bebas yang dibebani dengan beban yang merata, perbandingan antara bentang dan tinggi harus maksimum sebesar 16, dengan tegangan lentur ijin sebesar 10 MPa.
Untuk balok pendek dengan beban berat dan penampang kompleks, tegangan geser merupakan hal yang sangat penting. Modulus elastisitas penting untuk defleksi, serta untuk kekuatan tekuk dan perhitungan konstruksi statis tak tentu. Besar kecilnya modulus elastisitas, tergantung pada kualitas bahan, sangat bervariasi. Modulus elastisitas tumbuhan runjung adalah 10.000 MPa, dan tegak lurus serat nilainya adalah 300 MPa untuk kayu jenis konifera dan 600 MPa untuk kayu oak dan beech.
Alat untuk menguji kekuatan lentur kayu.
Kekuatan geser
Saat dicukur, kayu menunjukkan kekuatan yang rendah. Nilai kuat geser dapat sangat bervariasi akibat retaknya kayu.
Batas atas 0,9 MPa ditetapkan untuk tumbuhan runjung dari ketiga kelas mutu. Untuk kayu oak dan beech mutu II dan III nilai maksimalnya adalah 1 MPa, masing-masing 1,2 MPa untuk kelas I.
Jika diperoleh overhang yang terlalu pendek untuk tegangan ini, disarankan agar tegangan tersebut tidak digunakan. Jika ujung overhang pendek, ada bahaya besar terbentuknya retakan susut pada bidang geser, yang dapat menyebabkan hilangnya kapasitas menahan beban.
Alat uji kuat geser kayu.
Kekuatan tekuk
Jika batang terkena tekanan, perlu dilakukan pengecekan lentur dengan perhitungan. Yang paling penting adalah pilihan panjang lentur yang tepat. Batang harus diamankan dengan kopling terhadap defleksi lateral. Jika hal ini tidak dapat dilakukan secara memadai, panjang lentur yang lebih besar harus dimasukkan ke dalam perhitungan.
Gambar 3 dan 4 — Penampang melintang penuh dan komposit dengan sumbu material dan immaterial.
Untuk batang tekan yang kompleks, perhitungan dilakukan terhadap sumbu material, sumbu x pada gambar 4a dan 4b, sama seperti untuk bagian padat, dimana lebar seluruh batang diambil sebagai jumlah dari lebar d masing-masing elemen.
Untuk tekuk terhadap sumbu immaterial, sumbu y pada gambar 4a, 4b dan 4c serta sumbu x pada gambar 4c, seseorang tidak dapat mengandalkan komposisi sempurna dari masing-masing penampang, karena sambungan melintang dari batang kayu tersebut bersifat luluh. Untuk penampang dua bagian sesuai gambar 4a berlaku hubungan sebagai berikut:
Rumus asli perhitungan penampang dua bagian.
Batang pres majemuk umumnya digunakan hanya jika sambungan memerlukannya, yaitu ketika elemen penampang penuh dalam dimensi yang diperlukan tidak dapat diperoleh. Untuk mendapatkan sedekat mungkin dengan bagian penuh, sambungan memanjang terus menerus selalu disarankan.
Topik terkait: struktur kayu penahan beban, struktur antar lantai, cacat kayu, kelembaban kayu dan kayu.