ANALISA STRUKTUR ATAS AKIBAT BEBAN TAMBAHAN BASE TRANSCEIVER STATION (BTS) PADA ATAP GEDUNG

Transkripsi

1 Konferensi Nasional Teknik Sipil 3 (KoNTekS 3) Jakarta, 6 7 Mei 2009 ANALISA STRUKTUR ATAS AKIBAT BEBAN TAMBAHAN BASE TRANSCEIVER STATION (BTS) PADA ATAP GEDUNG Anis Rosyidah 1, Aji Bowo S. 2 dan A. Rifai 3 1 Jurusan Teknik Sipil, Politeknik Negeri Jakarta, Kampus Baru UI Depok anis.rosyidah@gmail.com 2 Alumni Jurusan Teknik Sipil, Politeknik Negeri Jakarta, Kampus Baru UI Depok ABSTRAK Berkembangnya sistem sewa atap bangunan (rumah, ruko, supermarket, kantor, dll.) untuk dijadikan tempat berdirinya menara-menara telekomunikasi atau base transceiver station (BTS) oleh operator membutuhkan analisa ulang kekuatan struktur gedung sebagai kompensasi akibat perubahan fungsi atap bangunan sebagai penunjang keberadaan BTS tersebut. Penulisan paper ini bertujuan mendapatkan hasil analisa kekuatan struktur suatu bangunan eksisting yang menyewakan sebagian atap bangunannya seluas 8x6m 2 untuk didirikan BTS. Dengan sebelumnya merancang dak baru dan balok penahan shelter BTS sebagai elemen struktur penunjang operasional BTS. Dari hasil analisa dapat disimpulkan bahwa pada ring balok as E/4-5 dan F/4-5 tidak mampu menahan lentur dan geser rencana. Sebagai solusi dirancang dua buah alternatif perkuatan yang dapat digunakan yaitu dengan menggunakan metode concrete jacketing dan composite strengthening system dengan bahan carbon fiber reinforced polymer (CFRP). Kata kunci: Perkuatan, beban tambahan, Base Transceiver Station 1. PENDAHULUAN Saat ini tengah berkembang pola bisnis baru dengan cara bermitra dengan pihak lain yang bersedia atap bangunan (rumah, ruko, supermarket, kantor, dll.) mereka dijadikan tempat berdirinya menara-menara telekomunikasi tersebut oleh para operator melalui sistem sewa tempat yang tentunya jauh lebih menguntungkan. Sehingga analisa ulang kekuatan struktur gedung harus dilakukan sebagai kompensasi akibat perubahan fungsi atap bangunan sebagai penunjang keberadaan BTS oleh operator dan pemilik bangunan. Hal ini dikarenakan pada mulanya bangunan dirancang tidak untuk menahan beban yang turut disumbangkan oleh BTS pada atapnya. Beban-beban yang diperhitungkan pada awal perencanaan hanya berupa beban gravitasi, angin ataupun gempa jika perencana mempertimbangkan konsep bangunan tahan gempa. Tidak ada atau kurang diperhatikannya analisa ulang kekuatan struktur bangunan tersebut akan berdampak psikologis berupa kekhawatiran penghuni akan kekutan bangunan yang diberikan beban BTS. Terlebih jika hal tersebut berlanjut hingga terjadi kegagalan struktur yang hanya akan merubah keuntungan menjadi malapetaka semata. BTS yang rencana didirikan terdiri dari beberapa komponen diantaranya self supporting tower 12 m berbobot 1799,70 kg berkaki 3 dan komponen berikutnya yaitu shelter BTS dengan berat 2119,69 kg. Agar shelter dapat didirikan, diperlukan perancangan balok baru penahan shelter BTS serta dak baru sebagai penunjang operasional BTS karena pada mulanya di area tersebut merupakan plafond. Dikhawatirkan beban tambahan baru yang terdiri dari tower, shelter, balok penahan shelter dan dak tersebut memberi banyak pengaruh terhadap bangunan, karena selain berkontribusi menambah beban gravitasi, komponen-komponen tersebut juga ikut mempengaruhi beban angin dan beban gempa terhadap keseluruhan struktur bangunan. Beban komponenkomponen tersebut akan menumpu pada ring balok dan kolom dibawahnya yang semula dirancang hanya untuk menahan beban rangka atap. Untuk itu perlu dilakukan analisa terhadap kekuatan struktur gedung Hardy s guna memperoleh kesimpulan kuat atau tidaknya stuktur yang telah ada saat ini bila terdapat tambahan beban BTS pada atap. Bila struktur tersebut tidak mampu menerima beban tambahan baru dari komponen BTS, maka perlu direncanakan perkuatan struktur yang dapat dilaksanakan dengan tujuan meningkatkan kapasitas komponen struktur sebagai sebuah solusi. Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta S - 203

2 Anis Rosyidah, Aji Bowo S. dan A. Rifai 2. KAJIAN PUSTAKA Perkuatan pada beton bertulang Strengthening atau perkuatan dilaksanakan untuk meningkatkan kapasitas kekuatan, kekakuan maupun daktilitas struktur. Pekerjaan strengthening harus direncanakan sesuai dengan yang diinginkan dan memenuhi persyaratan teknis yang berlaku. Dalam pemilihan teknik atau metode perkuatan, harus diperhatikan beberapa hal diantaranya kapasitas struktur, lingkungan dimana struktur berada, peralatan yang tersedia, kemampuan tenaga pelaksana serta batasanbatasan dari pemilik seperti keterbatasan ruang kerja, kemudahan pelaksanaan, waktu pelaksanaan dan biaya perkuatan. Teknik perkuatan struktur yang dilakukan dapat dibedakan berdasarkan material perkuatannya antara lain sebagai berikut. Concrete Jacketing Concrete Jacketing merupakan teknik perkuatan dengan jalan melapisi seluruh atau sebagian permukaan elemen struktur dengan beton baru dengan atau tanpa disertai dengan penambahan tulangan longitudinal maupun tulangan transversal. Beton baru yang ditambahkan harus memiliki kuat tekan yang lebih tinggi atau minimal sama dengan beton struktur yang diperkuat untuk memaksimalkan penambahan kemampuan tekan struktur. Melalui penambahan dimensi serta tulangan ini diharapkan mampu untuk menambah kapasitas kekuatan struktur. Pekerjaan concrete jacketing dapat dilakukan dengan tahapan sebagai berikut : 1. Menghilangkan semua bagian beton yang telah lapuk (terkontaminasi) atau menghilangkan semua bagian beton yang retak-retak berat pada pekerjaan perbaikan beton yang telah rusak. 2. Untuk kondisi beton yang belum rusak, cukup dilakukan pengupasan beton sampai terlihat tulangan longitudinal. 3. Melapisi beton lama dengan bahan perekat. Cor beton perlapis, bila bidang yang dilapisi sangat luas dapat dipakai secara shortcrete. Untuk ketebalan lebih dari 5 cm perlu diperkuat dengan kawat anyaman agar tidak terjadi retak-retak sebagai akibat adanya susut pada beton. Composite Strengthening System Composite Strengthening System memiliki kegunaan yang sama seperti penambahan plat baja, yaitu menambah kekuatan di bagian tarik elemen struktur. Metode ini memiliki kelebihan dalam waktu pelaksanaan yang jauh lebih cepat dan pelaksanaan yang lebih praktis namun dengan biaya yang lebih mahal. Material-material FRP (Fiber Reinforced Polymer) merupakan pilihan yang baik untuk digunakan sebagai perkuatan luar karena memiliki berat yang ringan, tahan korosi dan kekuatan yang tinggi dengan tegangan leleh mencapai 3790 MPa. Jenis FRP yang sering dipakai pada perkuatan struktur adalah berbahan carbon, aramid (kevlar) dan glass. Beberapa Tipe FRP yang menjadi produk MBrace Composite Strengthening System dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Tipe FRP dan nilai kuat nominal untuk M-Brace Fiber M-Brace Fiber Ultimit Strength Ksi (MPa) Design Strength Ksi (MPa) Tensile Modulus Ksi (MPa) CF 130 High Tensile Carbon 620 (4275) 550 (3790) ( ) CF 530 High Modulus Carbon 584 (4027) 510 (3517) ( ) EG 900 E-Glass 251 (1730) 220 (1517) (72.400) (Mbrace Design Guidlines) Kuat lentur Kekuatan nominal dari elemen lentur yang diperkuat menggunakan FRP secara umum tergantung dari salah satu bentuk keruntuhan yaitu keruntuhan tekan pada beton atau keruntuhan tarik pada FRP. Untuk menentukan kapasitas momen nominal balok perlu diketahui bentuk keruntuhannya yang terjadi dari salah satu kemungkinan-kemungkinan berikut: S Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta

3 Analisa Struktur Atas Akibat Beban Tambahan Base Transceiver Station (Bts) pada Atap Gedung 1). Beton hancur sebelum tulangan meleleh 2). FRP putus sebelum tulangan meleleh 3). Tulangan meleleh diikuti dengan keruntuhan beton 4). Tulangan meleleh diikuti dengan putus FRP Diagram tegangan regangan balok yang diperkuat FRP disajikan pada Gambar 1. b εcu = 0,003 0,85.f'c 0,85.f'c d' As' εs c c Cs' a Cs=As'.fs' Cc=0,85.f'c.b.a h d As εs T Tf T=As.fs Tf=Af.ff Af εf εbi εb Gambar 1. Regangan-Tegangan Balok yang Diperkuat dengan FRP h c Jika ε fu +ε bi >εcu c, keruntuhan dikendalikan oleh kehancuran beton. h c Jika ε fu +ε bi <εcu c, keruntuhan dikendalikan oleh putusnya FRP. Kuat geser Kuat geser nominal dari sebuah elemen beton bertulang yang diperkuat merupakan penjumlahan dari kekuatan geser masing-masing material penyusunnya yaitu beton, tulangan geser ditambah dengan kontribusi FRP. Secara umum kuat geser nominal dituliskan dalam pers. 1. Faktor 0,85 digunakan untuk mereduksi kapasitas geser FRP guna mengantisipasi hal-hal tak terduga dari teknik perkuatan ini. V = V + V + 0,85V n c s f dengan V c merupakan kapasitas geser beton, V s adalah kapasitas geser tulangan geser dan V f kapasitas geser FRP. (1) 3. METODOLOGI Struktur eksisting (Gambar 2-3) yang dijadikan bahan studi kasus ini merupakan bangunan perniagaan. Lokasi bangunan dengan laut kurang dari 5 km dan berada di wilayah gempa 4 dengan jenis tanah lunak. Jumlah tingkat ada 3 lantai. Dimensi bangunan, panjang 78 m, lebar 36 m, tinggi total portal 11 m. Struktur dari material beton bertulang dengan rangka atap baja. Dimensi ring balok (B1) 500/300, ukuran kolom (K1) 500/500. Mutu beton balok (f c ) 14 MPa, mutu beton kolom (f c ) 17 Mpa, mutu baja tulangan lentur (f y ) 340 MPa, mutu baja tulangan geser (f ys ) : 240 MPa. Gambar 2. Potongan Melintang Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta S - 205

4 Anis Rosyidah, Aji Bowo S. dan A. Rifai Gambar 3. Potongan Memanjang Hardy s Struktur dengan bentuk yang disajikan pada Gambar 2 dan 3 tersebut selanjutnya diberikan beban tambahan baru berupa base transceiver station dengan komponen-komponen berupa self supporting tower setinggi 12 m berbobot 1799,70 kg dan berkaki 3 yang akan menumpu kolom As F/4, ring balok As E-F/4 dan ring balok As F/4-5 (Gambar 4a). a. Denah Parsial Tumpuan Tower BTS b. Denah Parsial Balok Shelter Gambar 4. Denah Parsial Tumpuan Tower BTS dan Balok Shelter Komponen berikutnya yaitu shelter BTS dengan berat 2119,69 kg. Agar shelter dapat didirikan, diperlukan perancangan plat lantai dan balok baru karena semula area tersebut berupa plafond (Gambar 4b). Dikhawatirkan beban tambahan baru tersebut memberi banyak pengaruh terhadap bangunan, karena selain beban dari berat tower dan shelter, kedua komponen tersebut juga ikut mempengaruhi beban angin, beban hidup, serta beban gempa terhadap keseluruhan bangunan. Untuk mempermudah serta mendapatkan hasil perhitungan gaya dalam yang akurat dalam menganalisa digunakan software (Gambar 5), sedangkan analisa kapasitas kekuatan struktur eksisiting dilakukan melalui perhitungan manual. Area BTS Gambar 5. Pemodelan Struktur Hardy s S Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta

5 Analisa Struktur Atas Akibat Beban Tambahan Base Transceiver Station (Bts) pada Atap Gedung Dari hasil analisa gaya dalam secara keseluruhan bangunan didapatkan kuat perlu komponen struktur dengan menggunakan kombinasi pembebanan yang nantinya akan dibandingkan dengan kekuatan struktur eksisting yang tersedia. Bila didapatkan kuat perlu yang lebih besar dari kekuatan yang tersedia dapat disimpulkan bahwa struktur eksisting tidak mampu menerima beban yang direncanakan sehingga perlu dirancang perkuatan agar struktur mampu menerima beban rencana. 4. PEMBAHASAN Perancangan elemen struktur penunjang operasional BTS Perancangan balok penahan Shelter BTS Dengan ikut memodelkan dak baru dan balok shelter BTS beserta beban tambahan yang diterimanya pada pemodelan struktur Hardy s dengan bantuan program ETABS v.9 diperoleh momen ultimit rencana pada balok penahan shelter BTS sebesar 65,857 knm pada daerah tumpuan dan 82,614 knm pada daerah lapangan. Untuk menahan momen ultimit tersebut dirancang balok dengan mutu beton f c 25 MPa dan mutu tulangan 340 MPa. Dimensi balok digunakan 250/400 mm 2 dengan jumlah tulangan tarik 3D19 pada daerah tumpuan dan 4D19 pada daerah lapangan (Gambar 6). Kondisi tersebut menghasilkan momen nominal terfaktor sebesar 72,447 knm pada daerah tumpuan dan 127,735 knm pada daerah lapangan. Momen tersebut lebih besar dari momen ultimit rencana. Gaya geser total akibat penjumlahan gaya geser akibat beban gravitasi dan beban gempa diperoleh gaya geser terfaktor rencana sebesar 123,675 kn. Gaya geser terfaktor tersebut seluruhnya harus ditahan oleh tulangan karena berdsarkan SNI pasal 23.3(4(2)) mensyaratkan beton tidak ikut menahan kapasitas geser dikarenakan gaya aksial yang terjadi adalah 0 kn. Sehingga diperlukan tulangan geser 2 ф10-75 pada bentang 2d dari muka kolom dan 2 ф pada bentang lainnya. Gambar 6. Penulangan Balok Penahan Shelter BTS Analisa kekuatan Struktur Eksisting Dengan memasukkan beban tambahan baru berupa tower dan shelter BTS sebagai komponen BTS serta dak baru dan balok penahan shelter BTS sebagai komponen penunjang tahap operasional BTS pada pemodelan struktur Hardy s secara keseluruhan menyebabkan penambahan kekuatan yang harus ditahan oleh elemen struktur. Berdasarkan hasil analisa ring balok eksisiting, momen nominal terfaktor yang mampu ditahan oleh ring balok pada daerah tumpuan sebesar 48,35 knm dan 48,34 knm pada daerah lapangan. Sebagai contoh pada kondisi awal ring balok as E/4-5 hanya menahan momen ultimit rencana sebesar 40,396 knm pada daerah tumpuan dan 20,4302 knm pada daerah lapangan akibat berat rangka atap. Namun penambahan beban baru tersebut memaksa ring balok untuk menahan momen ultimit rencana sebesar 139,6 knm pada daerah tumpuan atau kenaikan sekitar 245% dari momen rencana kondisi awal dan 120,49 knm pada daerah lapangan atau kenaikan sekitar 489% dari momen rencana kondisi awal. Nilai momen ultimit rencana yang jauh bila dibandingkan dengan momen nominal terfaktor ring balok eksisting menyebabkan dibutuhkan sebuah perancangan perkuatan guna menaikkan kapasitas momen nominal terfaktor agar balok dapat menahan momen ultimit akibat beban tambahan (Tabel 2). Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta S - 207

6 Anis Rosyidah, Aji Bowo S. dan A. Rifai Tabel 2. Rekapitulasi Momen Perlu Maksimum pada Ring Balok MOMEN PERLU MAKSIMUM AS Mu (kn-m) E/ ,6016 F/ ,192 E-F/4-38,7759 E-F/5-36,3841 TUMPUAN Mu AKIBAT KOMBINASI BEBAN (kn-m) LANTAI+TOWER+OUTDOOR) 120,4912 LANTAI+TOWER+OUTDOOR) 110,1356 1,2 DL + 1,0 ( LL LANTAI+TOWER+OUTDOOR) + 1,0 EX + 0,3 EY 26,1448 1,2 DL + 1,0 ( LL LANTAI+TOWER+OUTDOOR) + 1,0 EX + 0,3 EY 25,5908 LAPANGAN AKIBAT KOMBINASI BEBAN LANTAI+TOWER+OUTDOOR) LANTAI+TOWER+OUTDOOR) LANTAI+TOWER+OUTDOOR) LANTAI+TOWER+OUTDOOR) E/5/6-51,1012 1,2 DL + 1,0 LL LANTAI - 0,3 EX - 1,0 EY 20,4302 1,4 DL Selain ring balok as E/4-5, elemen struktur lain yang dinyatakan tidak mampu menahan momen nominal rencana adalah ring balok as F/45 dengan momen ultimit rencana sebesar 118,192 kn-m pada daerah tumpuan dan 110,135 kn-m pada daerah lapangan. Sedangkan ring balok lainnya dinyatakan mampu ditandai dengan momen ultimit rencana yang berada dalam batas momen nominal terfaktor ring balok eksisting. Kolom eksisting baik yang berkontribusi langsung dalam menahan beban tambahan maupun tidak langsung, dinyatakan mampu menahan kombinasi kuat lentur-tekan akibat beban rencana tambahan. Hal ini ditandai dengan letak kombinasi Mu-Pu dari semua kombinasi pembebanan yang masih berada di dalam batas aman Mn-Pn yang mampu ditahan oleh kolom eksisiting. Perancangan Perkuatan Struktur Bila elemen struktur memiliki luas tulangan yang lebih sedikit dari tulangan yang diperlukan, maka disarankan untuk diberikan perkuatan menggunakan salah satu alternatif metode perkuatan yang telah dirancang baik concrete jacketing ataupun composite strengthening system dengan tujuan elemen struktur tersebut mampu menahan kuat lentur yang diperlukan akibat kombinasi beban terbesar. Pada ring balok as E/4-5 dan F/4-5 yang dinyatakan tidak mampu menahan beban awal dan tambahan digunakan dua alternatif perkuatan yang dapat dipilih oleh pihak pemilik gedung dan operator layanan telekomunikasi. Metode Concrete Jacketing Alternatif perkuatan yang pertama dengan menggunakan metode concrete jacketing, yaitu perkuatan dengan jalan menambah dimensi penampang setebal 50 mm dengan mutu beton f c 25 MPa serta penambahan tulangan tarik 4D19 di daerah tumpuan dan 3D19 di daerah lapangan. Dengan penambahan dimensi dan tulangan ini momen nominal terfaktor ring balok dapat ditingkatkan hingga 183,4 knm pada daerah tumpuan dan 203,56 pada daerah lapangan. Hal tersebut diikuti juga dengan penambahan tulangan geser 2Ø pada seperempat bentang di kedua ujung balok untuk menahan gaya geser terfaktor sebesar 142,745 kn dan 2Ø mm pada setengah bentang di daerah lapangan (Gambar 7). Gambar 7. Perkuatan Balok dengan Concrete Jacketing S Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta

7 Analisa Struktur Atas Akibat Beban Tambahan Base Transceiver Station (Bts) pada Atap Gedung Metode Composite Strenghening System Sebagai alternatif lain dapat digunakan cara yang lebih cepat dengan perkuatan eksternal menggunakan Carbon Fiber Reinforced Polymer(C-FRP) dengan merek dagang M-Brace tipe CF-130 sebanyak 3 lapis pada daerah tarik di tumpuan dan 2 lapis pada daerah tarik di lapangan tanpa penambahan dimensi ring balok. Cara ini dapat meningkatkan momen nominal terfaktor hingga 149,15 knm pada daerah tumpuan dan 128,45 knm pada daerah lapangan. Untuk mengantisipasi penambahan gaya geser terfaktor menjadi 138,884 kn, ring balok dibungkus pada sisi samping dan sisi bawah (U wrap) dengan menggunakan FRP selebar 4 (101,6 mm) dengan jarak as ke as 150 mm pada daerah tumpuan dan 200 mm pada daerah lapangan (Gambar 8). 5. KESIMPULAN Gambar 8. Perkuatan Balok dengan CFRP Hasil perancangan elemen-elemen struktur baru untuk menunjang operasional BTS diperlukan elemen-elemen struktur baru sebagai berikut: Balok penahan shelter BTS dengan dimensi penampang 250x400 mm 2 dengan tulangan tarik 3 D19 pada daerah tumpuan dan 4 D19 di lapangan serta digunakan tulangan geser 2 ф10 dengan jarak 75 mm pada seperempat bentang dari kedua ujung balok dan 150 mm pada setengah bentang di daerah lapangan. Dari hasil analisa struktur diperoleh kesimpulan elemen-elemen struktur yang tidak mampu menahan pengaruh akibat beban tambahan rencana adalah ring balok as E/4-5 dan ring balok as F/4-5 sehingga perlu dirancang perkuatan. Pada ring balok as E/4-5 dan F/4-5 yang dinyatakan tidak mampu menahan beban tambahan disarankan menggunakan salah satu metode perkuatan berikut: Concrete jacketing dengan menambah dimensi penampang setebal 50 mm dengan mutu beton f c 25 MPa serta penambahan tulangan tarik 4D19 di daerah tumpuan dan 3D19 di daerah lapangan. Hal tersebut diikuti juga dengan penambahan tulangan 2ф pada seperempat bentang dari kedua ujung balok dan 2ф mm pada setengah bentang di daerah lapangan. Perkuatan eksternal menggunakan Carbon Fiber Reinforced Polymer (C-FRP) tipe CF-130 sebanyak 3 lapis pada permukaan atas di daerah tumpuan dan 2 lapis pada permukaan bawah di daerah lapangan tanpa penambahan dimensi ring balok untuk mengantisipasi lentur perlu. Serta membungkus ring balok pada sisi samping dan sisi bawah (U wrap) dengan menggunakan C-FRP selebar 4 (101,6 mm) dengan jarak as ke as 150 mm pada daerah tumpuan dan 200 mm pada daerah lapangan untuk mengantisipasi penambahan kuat geser akibat beban tambahan. DAFTAR PUSTAKA Badan Standarisasi Nasional. (2002). Tata Cara Perhitungan Struktur Beton Untuk Bangunan Gedung SNI , Bandung: BSN. Chu Kia Wang, Salmon Charles G. (1993). Reinforced Concrete Design Jilid 1 terjemahan, Edisi Keempat, Jakarta: Erlangga. Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta S - 209

8 Anis Rosyidah, Aji Bowo S. dan A. Rifai Chu Kia Wang, Salmon Charles G. (1989). Reinforced Concrete Design Jilid 2 terjemahan, Edisi Keempat, Jakarta: Erlangga. Departemen Permukiman dan Prasarana Wilayah. Badan Penelitian dan Pengembangan Teknologi Permukiman. (2002). Standar Perencanaan Ketahanan Gempa Untuk Struktur Bangunan Gedung. SNI , Bandung: Puskim. Dipohusodo Istimawan. (1993). Struktur Beton Bertulang, Jakarta: Gramedia. Kh. Sunggono V. (1995). Buku Teknik Sipil, Bandung: Nova. Master Builders. (1998). Mbrace Design Guidlines, Ohio: Master Builders Inc. ALI. (2008). Modul CDMA Planning, Jakarta. Priestley M.J.N, Seibel F. dan Calvi G.M. (1996). Seismic Design and Retrofit of Bridges, New York: John Wiley & Sons Inc. Vis W.C., Kusuma Gideon. (1997). Dasar-dasar Perencanaan Beton Bertulang, Jakarta: Erlangga. S Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta