PENGARUH KEKANGAN BETON TERHADAP INTERAKSI GAYA AKSIAL DAN MOMEN ULTIMIT PADA KOLOM TUBULAR KOMPOSIT LINGKARAN DISERTASI

Transkripsi

1 PENGARUH KEKANGAN BETON TERHADAP INTERAKSI GAYA AKSIAL DAN MOMEN ULTIMIT PADA KOLOM TUBULAR KOMPOSIT LINGKARAN DISERTASI Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dari Institut Teknologi Bandung Oleh MUSLIKH NIM : Program Studi Rekayasa Struktur INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2005

2

3 ABSTRAK PENGARUH KEKANGAN BETON TERHADAP INTERAKSI GAYA AKSIAL DAN MOMEN ULTIMIT PADA KOLOM TUBULAR KOMPOSIT LINGKARAN Oleh : Muslikh NIM : Pada elemen struktur yang dibebani gaya tekan aksial sangat besar, seperti pada kolom bangunan, pemakaian beton kinerja tinggi (high strength concrete) adalah sangat tepat dan akan memberikan keuntungan yang besar. Walaupun demikian, kolom beton yang dirancang dengan beton kinerja tinggi bersifat lebih getas (brittle), sehingga memiliki tingkat daktilitas yang rendah. Oleh karena itu beton kinerja tinggi dapat dipakai secara aman pada struktur kolom, hanya jika kekurangannya dalam hal rendahnya daktilitas dapat diatasi. Pemakaian tulangan lateral dalam bentuk sengkang spiral atau sengkang ikat (hoop) untuk mengekang beton dapat meningkatkan daktilitas kolom tersebut. Tetapi selimut beton (cover) di luar tulangan lateral ini cenderung terlepas (premature spalling) dari bagian inti beton pada beban aksial tinggi. Selain daripada itu, spalling dapat terjadi karena adanya bidang lemah longitudinal, yang disebabkan oleh tulangan lateral yang rapat (cage) di antara inti beton dan selimut beton. Masalah ini dapat diatasi dengan pemakaian struktur kolom tubular komposit atau tabung baja yang diisi beton (concrete-filled steel tubes - CFST), karena kekangan (confinement) langsung diberikan oleh tabung baja dan tidak ada lagi selimut beton. Dengan demikian struktur kolom tubular komposit memberikan solusi yang kompetitif dibandingkan dengan struktur beton bertulang biasa, karena tabung baja mengekang beton sepenuhnya dan berfungsi sebagai tulangan lateral sekaligus longitudinal, di samping berperan sebagai formwork pada saat pengecoran beton. Akhir-akhir ini jenis struktur kolom tubular komposit makin populer penggunaannya, baik untuk gedung bertingkat banyak maupun jembatan bentang panjang. Hal ini sebagian karena sifat-sifat tahan gempa yang dimiliki oleh struktur jenis ini, yaitu berupa kekuatan dan daktilitas yang tinggi, maupun kapasitas absorpsi energi yang besar. Keuntungan-keuntungan lain yang diperoleh dari jenis struktur ini adalah mudah dan cepatnya pelaksanaan, penghematan bekistirig, kemungkinan pembuatan sambungan standard, dan kemungkinan penggunaan tabung khusus untuk melindungi dari lingkungan korosif. Selain daripada itu, pemakaian beton ringan ( lightweight concrete), khususnya juga beton ringan kinerja tinggi (high strength lightweight concrete) akan menambah

4 keuntungan, khususnya dari tinjauan ketahanan terhadap gempa. Dengan berkurangnya massa beton maka gaya inersia akibat percepatan gempa akan berkurang, sehingga keamanan struktur akan lebih terjamin. Penelitian mengenai kolom tubular komposit ini ditekankan pada pengaruh kekangan terhadap interaksi gaya aksial dan momen ultimit. Dalam hal ini digunakan tabung baja dengan tampang lingkaran, dengan parameter yang divariasikan berupa rasio ketebalan (D/t) dan rasio kelangsingan (L/D). Untuk inti beton digunakan beton ringan kinerja tinggi (high strength lightweight concrete), dengan kuat tekan di atas 41 MPa. Adapun beban yang diterapkan berupa tekan konsentrik dan eksentrik, dengan parameter yang divariasikan berupa rasio eksentrisitas (e/d). Hasil pengujian kolom tubular komposit dengan beban konsentrik, yang dilakukan baik secara individual (inti beton dan tabung baja) maupun secara kesatuan, menunjukkan terjadinya peningkatan daktilitas yang sangat signifikan akibat kekangan (confinement). Dengan demikian, Iuasan di bawah kurva bebanperpindahan yang menunjukkan besarnya kapasitas penyerapan energi juga meningkat. Peningkatan kapasitas dukung aksial yang diuji pada kolom tubular komposit dibandingkan jumlah kapasitas komponen-komponennya (inti beton dan tabung baja) menunjukkan nilai sebesar %. Untuk kolom tubular komposit dengan beban konsentrik menunjukkan, bahwa beban leleh (yield load) dengan beban puncak (ultimate) hampir sama besar (P y P u ), karena kontribusi beton pada struktur kolom tubular komposit. Setelah puncak, kurva mengalami degrading stiffness sekitar 25%, yang kemudian berupa plateau atau sedikit hardening, sehingga residual strength yang ada sekitar 70%. Efektivitas penggunaan struktur kolom tubular komposit lingkaran, dibandingkan dengan kolom konvensional menggunakan tulangan longitudinal dan sengkang telah dilakukan. Nampak, bahwa terdapat peningkatan kapasitas kolom tubular komposit dibandingkan dengan kolom konvensional, yang cukup signifikan pada daerah tekan dan kondisi balanced. Hal ini disebabkan oleh efek kekangan (confinement) yang terjadi pada kolom tubular komposit. Analisis elemen hingga nonlinier yang dilakukan pada umumnya dapat memprediksi kapasitas kolom tubular komposit, maupun komponenkomponennya (tabung baja dan inti beton), tetapi tidak dapat memberikan descending part kurva dan daktilitas sebagaimana yang terjadi pada hasil eksperimen. Kata-kata kunci : kolom tubular komposit lingkaran, kekangan, daktilitas, tabung baja, inti beton, beton ringan kinerja tinggi, gaya aksial, momen, rasio ketebalan, rasio kelangsingan, rasio eksentrisitas, konsentrik, eksentrik, kapasitas dukung, kapasitas absorpsi energi.

5 ABSTRACT THE EFFECTS OF CONCRETE CONFINEMENT ON THE INTERACTION OF ULTIMATE AXIAL FORCE AND MOMENT IN CIRCULAR CONCRETE-FILLED STEEL TUBES By: Muslikh NIM : In the case of structural elements being heavily subjected to compression forces, such as building columns, the use of high strength concrete might be very appropriate and advantageous. However, columns designed with high strength concrete behave more brittle, thus they have lower ductility level. Therefore, high strength concrete could safely be used for structural columns only if its handicap of relatively low ductility can be overcome. Using transverse reinforcement in the form of spiral hoops or rectangular ties to confine the concrete can greatly improve the ductility of concrete. However, the concrete cover tends to separate prematurely from the concrete core at high axial load. Besides, the spalling could occur because of the presence of longitudinal weakness planes caused by the dense steel cage between the concrete core and the concrete cover. Such problems can be overcome by using concrete-filled steel tubes (CFST); because the concrete core is completely confined by the steel tubes and no concrete cover outside the tubes are required. As a result, concrete-filled steel tube structures give competitive solution compared to conventional reinforced concrete columns, since besides the steel tubes confine the entire concrete core, also they can be used as both lateral and longitudinal reinforcement as well as formwork during casting of the concrete. Recently, the concrete-filled steel tubes structures have become increasingly popular in structural application, either for high-rise buildings or long-span bridges. This is partly due to their excellent earthquake-resistant properties such as high strength, high ductility, and large energy absorption capacity. Other advantages offered by this kind of structures are easy and quick construction, saving formwork, possible use of simple standardized connections, and also possible use of special tubes to prevent from corrosive environment. In addition, the use of lightweight concrete, especially high strength lightweight concrete, will give more benefit for seismic consideration in particular. As the concrete masses decrease thus the inertial forces induced by earthquake acceleration are decreasing, as a result the structural safety would be more guaranteed.

6 This research on concrete-filled steel tubes was emphasized at the effects of confinement on the interaction of ultimate axial forces and moments. In this case, circular steel tubes were used with varied parameters consist of thickness ratio (D/t) and slenderness ratio (L/D). For the concrete core, high strength lightweight concrete was used with compressive strength higher than 41 MPa. The applied loads consist of concentric and eccentric compressive loads; with varied parameter was eccentricity ratio (e/d). Results of the tests showed that for concrete-filled steel tubes with L/D ratio between 2 to 8 under concentric loading indicated the significant increase of ductility due to confinement. Accordingly, the area below the load-displacement diagram showing the energy dissipation capacity also increased. The axial capacity of concrete-filled steel tubes compared to the sum of their component capacities (concrete cores and steel tubes) showed an increase of about %. For concrete-filled steel tube columns under concentric loading exhibited that the yield and ultimate loads were almost the same (P y P u ) due to the contribution of concrete in concrete-filled steel tubes. After reaching the peak, the curves undergo degrading stiffness about 25 % followed by plateau or a little hardening with residual strengths about 70%. The effectiveness use of a circular concrete-filled steel tube compared to a conventional column with longitudinal and transverse reinforcement was examined. It was revealed, that there was significant capacity increase for the concrete-filled steel tube compared to the conventional column, especially in the compression region and the balanced condition. This matter because of the confinement effect that occurred in the concrete-filled steel tube. In general, the nonlinear finite element analysis used in this research showed good results in predicting the capacity of concrete-filled steel tubes, also for their components (steel tubes and concrete cores). However, the descending parts of the load-displacement curves and the ductilities could not be predicted accurately similar to those of the experiments. Keywords : circular concrete-filled steel tube, confinement, ductility, steel tube, concrete core, high strength lightweight concrete, axial force, moment, thickness ratio, slenderness ratio, eccentricity ratio, concentric load, eccentric load, load capacity, energy absorption capacity.

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24