Berapa besar pemuaian baja akibat proses pembuatan bahan konstruksi, tentu dapat kita ketahui berdasarkan sebuah perhitungan. Mungkin sepintas anda tidak membayangkan sebelumnya, bahwa pemuaian dapat kita implementasikan dalam pekerjaan konstruksi baja. Jika benar sangatlah wajar, karena materi ini sebenarnya salah satu kategori pada mata pelajaran Fisika sewaktu kita SMP.
Seperti telah sering kita sebut dalam artikel-artikel sebelumnya, tahap pertama pengerjaan baja untuk keperluan sebuah konstruksi adalah melakukan pemotongan, baik dengan mesin gerinda atau menggunakan nyala api. Maka dalam artikel ini kita akan menghitung berapa besar pemuaian baja akibat proses pemotongan tersebut. Sehingga dapat kita ketahui apakah ada pengaruhnya terhadap kualitas sebuah konstruksi.
Pengertian pemuaian
Pemuaian adalah proses bertambanya ukuran suatu benda/zat yang terjadi karena adanya kenaikan suhu yang diterima oleh benda tersebut. Adapun proses ini dapat terjadi pada 3 jenis benda/zat yaitu: 1]. Benda padat, 2]. Benda/zat cair, 3]. Dan gas. Yang mana besar pemuaian terjadi pada masing-masing benda tergantung ukuran awal, kenaikan suhu serta koefisien muai.
Sebagai tambahan untuk memudahkan pemahaman kita, pemuaian berasal dari kata dasar muai yang memiliki kesamaan arti dengan mekar atau mengembang. Jadi pemuaian dapat kita sinonimkan dengan pemekaran atau pengembangan, tetapi bertolak belakang dengan penyusutan atau pengerutan. Agar mudah anda pahami perbedaan antara pemekaran dengan penyusutan, silahkan anda pelajari juga tentang Cara Mencegah dan Mengatasi Pengerutan Baja.
Pemuaian yang terjadi pada baja
Baja adalah salah satu benda padat yang dapat memuai jika mengalami kenaikan suhu atau temperatur. Jadi seperti telah kita sebut sebelumnya, dengan adanya proses pemotongan baja yang menggunakan nyala api, maka panas (kalor) dari nyala api tersebut membuat suhu baja meningkat hingga 1.538 ºC. Lebih lengkap mengenai prinsip dan teknis pemotongan baja, silahkan anda pelajari tentang Pedoman Memotong Baja Dengan Blender.
1.Macam-macam pemuaian material baja
Adapun reaksi baja akibat panas dari nyala api potong tersebut menimbulkan bertambanya ukuran, yang dapat kita bagi menjadi 3 macam yaitu:
- Pemuaian panjang : peristiwa bertambahnya ukuran baja ke arah memanjang dari ukuran yang sebelumnya. Karena yang bertambah pada panjang baja saja, maka proses ini dapat juga kita sebut Pemuaian 1 Dimensi.
- Pemuaian luas : proses bertambahnya ukuran lebar maupun panjang baja dari ukuran awal yang telah kita tentukan. Dengan adanya pemekaran ke arah melebar serta memanjang, maka kejadian ini kita kenal dengan istilah Pemuaian 2 Dimensi.
- Pemuaian Volume : proses pemekaran ukuran baja ke arah melebar, memanjang serta pada tebal (t) bahan. Sehingga peristiwa ini dapat kita sebut dengan Pemuaian 3 Dimensi, karena baja mengalami muai sebanyak 3x.
Lebih jelas mengenai pemuaian luas dan penambahan volume baja dapat kita buatkan contoh berdasarkan Gambar 1, berikut ini.
Pada gambar 1, merupakan sebuah Baja Welded Beam yang terbuat dari pelat baja lembaran, salah satunya yaitu melalui proses pemotongan dengan alat blender. Nah, akibat panas dari blender tersebut baja akan memuai ke arah melebar serta memanjang. Untuk lebih jelas mengenai pembuatan welded beam dan hubungannya dengan pemuaian, dapat kita perhatikan berdasarkan contoh-contoh berikut:
a.Contoh pemuaian luas pelat
Ketika kita memotong pelat baja untuk membuat salah satu bagian welded beam, misalnya sayap (flange). Maka luas pelat baja akan bertambah ke arah lebar sayap (b) dan panjang (p)=12,0 m. Atau ketika kita melakukan pemotongan pelat untuk bagian badan (web), maka pemuaian luas terjadi pada tinggi badan (h1) dan panjang (p)=12,0 m.
b.Contoh pemuaian volume pelat
Setelah memuai pada luas, secara langsung pelat baja yang kita potong juga akan mengalami pemekaran pada tebal bahan (t1) dan (t2). Jadi misalnya kita memotong pelat untuk bagian sayap welded beam, maka pemuaian mengakibatkan ukuran (b); (t2) serta (p) akan bertambah.
2.Cara menghitung pemuaian volume pelat baja
Masih berdasarkan gambar 1, adapun perhitungan pemuaian volume pelat baja dapat kita lakukan berdasarkan rumus berikut:
ΔV = Vo.3γ.Δt
Keterangan rumus adalah:
ΔV = adalah besar muai/penambahan volume baja (Cm³)
Vo = adalah volume baja mula-mula/awal (Cm³)
Δt = adalah kenaikan suhu
γ = koefisien muai panjang baja = 0,000012/ºC
Sebagai tambahan yang harus kita ketahui, untuk melaksanakan perhitungan pemuaian volume, koefisien muai panjang (γ) harus kita kali 3. Hal ini juga sekaligus menjadi alasan mengapa proses ini disebut pemuaian 3 dimensi.
a.Contoh soal:
Kita akan menghitung besar muai volume sebuah pelat baja, yang kita potong menggunakan nyala api dengan titik lebur besi 1.538 ºC serta dengan kecepatan potong 45 Cm/menit. Adapun ukuran pelat tersebut adalah (b)= 200 Milimeter, (t2)= 12 Milimeter, serta panjang (p)=12.000 Milimeter. Maka perhitungan kita lakukan sebagai berikut:
b.Penyelesaian soal:
Pertama yang kita perlu cari adalah volume pelat baja mula-mula (Vo) adalah: 0,20 x 1.200 x 0,012 Cm = 2,88 CM³. Kedua, mencari kenaikan suhu (Δt) pelat baja adalah: 1.538 ºC – 37 ºC = 1.501 ºC. Selanjutnya kita menghitung besar muai volume seperti berikut:
ΔV = 2,88 x 3 x 0,000012 x 1.501 = 0,155 Cm³
Maka berdasarkan hasil penambahan volume baja ini, kemudian dapat kita ketahui total volume baja setelah mengalami pemuaian (V) = Vo + ΔV, yaitu: 2,88+0,155 = 3,035 Cm³.
Dampak pemuaian pelat baja terhadap konstruksi
Secara umum tidak ada dampak signifikan pada konstruksi atas terjadinya pemuaian pada baja, walau kita panaskan dengan temperatur tinggi. Silahkan anda perhatikan contoh soal diatas, volume baja bertambah sekitar 5,38% dari volume awal. Berikut ini kita lakukan pembuktian apakah pemuaian berpotensi mempengaruhi kualitas konstruksi, yaitu melalui 2 bukti perhitungan berikut:
1.Perhitungan pemuaian luas pelat
Untuk lebih meyakinkan, mari kita lakukan perhitungan muai luas (pemuaian 2 dimensi) pelat baja. Adapun data-data yang kita pakai tetap sama seperti contoh soal, perhitungan pemuaian luas pelat kita lakukan berdasarkan rumus:
ΔA = Ao.2γ.Δt
Keterangan rumus:
ΔA = adalah besar muai/penambahan luas baja (Cm²)
Ao = adalah luas pelat baja mula-mula/awal (Cm²)
Δt = adalah kenaikan suhu
γ = koefisien muai panjang baja = 0,000012/ºC
Dapat kita hitung penambahan luas pelat baja akibat proses pemotongan adalah:
ΔA = 240 x 2 x 0,000012 x 1.501 = 8,645 Cm²
Maka dari hasil penambahan luas baja ini, selanjutnya kita hitung total luas baja setelah mengalami pemuaian (A) = Ao + ΔA, yaitu: 240+8,645 = 248,645 Cm². Atau sekitar 3,602% dari luas pelat baja semula. Jadi berdasarkan hasil perhitungan ini, juga belum kita temukan bukti bahwa ada pengaruh pemekaran bahan terhadap konstruksi.
2.Perhitungan pemuaian panjang
Namun bagaimana dengan pemuaian yang terjadi pada panjang?, Apakah ada indikasi pelat baja yang memuai berpengaruh pada proses pembuatan konstruksi?. Disini kita akan hitung berapa penambahan panjang baja, yaitu berdasarkan rumus:
ΔL = Lo.1.γ.Δt
Keterangan rumus:
ΔL = adalah besar muai/penambahan panjang pelat baja (Cm)
Lo = adalah panjang pelat baja mula-mula (Cm)
Δt = adalah kenaikan suhu
γ = koefisien muai panjang baja = 0,000012/ºC
Maka panjang penambahan panjang pelat karena menerima panas dari nyala api potong adalah:
ΔL = 20 x 1 x 0,000012 x 1.501 = 0,36 Cm² atau 3,6 Milimeter.
Jadi total panjang pelat termasuk setelah mengalami pemuaian (L) = Lo + ΔL, yaitu: 20+0,36 = 20,36 Cm, atau 203,6 Milimeter. Wah, ternyata hasil perhitungan ini memberi kita catatan khusus, yaitu adanya tambahan panjang 3,6 Milimeter. Apakah ada dampaknya pada bahan konstruksi?, jawabnya tidak. Namun khusus untuk pembuatan profil tertentu kemungkinan ada.
Untuk mengetahui seberapa besar pengaruh pemuaian panjang tersebut, dapat kita bandingkan dengan Proses Pembuatan Baja Kastela, seperti pada gambar 2 berikut.
Pengaruh pemuaian terhadap baja kastela
Sama halnya pemuaian yang terjadi pada pelat baja, saat kita memotong profil IWF atau H Beam untuk membuat baja kastela akan terjadi penambahan lebar. Disini yang kita pakai adalah istilah penambahan pada lebar, karena kita melakukan pemotongan profil ke arah memanjang (membelah).
Dan jika kita mengacu pada perhitungan pemuaian panjang tersebut, bahwa terjadi penambahan sekitar 1,8% dari ukuran awal akibat panas dari blender. Maka untuk membuat baja kastela seperti pada gambar 2, juga akan mengalami penambahan: 1,8% x 25 Cm = 0,45 Cm, atau 4,5 Milimeter.
Dengan demikian bukankah tinggi baja kastela (Dc) seharusnya: (h x 1,5) + 4,5 = 379,5 Milimeter?. Jawabnya tidak, karena ada bagian bahan yang termakan oleh nyala api. Yaitu ketika kita menggunakan nozzle nomor 3 berarti lebar bahan terbuang akibat pemotongan sebesar 3 Milimeter. Atau jika kita kurangkan dengan hasil pemuaian tadi, maka sisa pemekaran bahan adalah 4,5 – 3 = 1,5 Milimeter. Sangat diluar dugaan kita!
Kesimpulan
Kita berharap dengan penjelasan ini, para pelaku konstruksi baja menyadari pentingnya memahami pemuaian yang terjadi pada material yang mereka kerjakan. Dari pembahasan ini pula dapat kita ambil beberapa kesimpulan, antara lain:
- Pemotongan baja dengan blender mengakibatkan suhu baja meningkat tajam namun tidak merata, karena konsentrasi panas hanya pada alur pemotongan
- Pemuaian baja akibat pemotongan dengan blender kita pastikan tetap ada, yakni secara 1 dimensi, 2 dimensi maupun 3 dimensi
- Besar muai baja tidak memiliki dampak yang besar terhadap konstruksi, namun khusus pembuatan profil atau komponen rangka tertentu, perlu kita perhatikan apakah tidak mempengaruhi ukuran yang kita inginkan
- Menghitung besar muai baja ternyata dapat kita gunakan sebagai acuan untuk memilih ukuran/nomor nozzle untuk melaksanakan pemotongan,
- Walau ada penambahan pada lebar dan panjang bahan, tetapi tanpa kita sadari ternyata oleh nyala api pemuaian tersebut sebagian dapat berkurang
Adapun penerapan rumus-rumus yang kita lakukan disini, kemungkinan masih perlu untuk kita sempurnakan. Adalah menjadi perhatian berikutnya, karena Arsitekta.Com menemukan beberapa data yang berbeda untuk melengkapi perhitungan, misalnya mengenai koefisien muai panjang baja (γ). Pada sumber tertentu menyebut 0,000011/ºC, namun sumber lain mengatakan 0,000012/ºC, serta ada juga menulis 0,000015/ºC.
Demikian juga tentang kenaikan suhu (Δt) apakah harus secara merata pada permukaan baja, sehingga perhitungan berdasarkan rumus-rumus tersebut dapat kita lakukan?. Mengenai hal ini juga kami tidak temukan dasar yang kuat dan itu sebabnya kami sebut kemungkinan perlu penyempurnaan.