STUDI KEKUATAN GESER BALOK BETON BERTULANG KOMPOSIT BERINTIKAN BAJA TERHADAP PENGARUH VARIASI DIMENSI PENAMPANG BALOK

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) STUDI KEKUATAN GESER BALOK BETON BERTULANG KOMPOSIT BERINTIKAN BAJA TERHADAP PENGARUH VARIASI DIMENSI PENAMPANG BALOK Roy Permadi, Budi Suswanto, ST., MT., Ph.D Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya budi_suswanto@ce.its.ac.id Abstrak Pada Tugas Akhir ini akan diselidiki kekuatan balok beton bertulang komposit berintikan baja dimana bentuk baja sepenuhnya terbungkus di dalam beton. Pada kasus ini terdapat dua jenis kegagalan, yaitu kegagalan diagonal dan kegagalan lekatan yang diuji dalam studi ini. Berdasarkan jurnal C.C. dengan judul Shear Strength of Concrete-Encased Composite Structural Members, yang melakukan studi tentang tipe kegagalan ini terhadap balok beton bertulang berintikan baja dengan dimensi penampang balok 450 mm x 750 mm dengan variasi lebar sayap baja antara mm mm. Maka pada tugas akhir ini akan dilakukan studi yang sama dengan variasi dimensi penampang balok, yaitu 450 mm x 700 mm, 450 mm x 750 mm, 450 mm x 800 mm, 500 mm x 700 mm, 500 mm x 750 mm, dan 500 mm x 800 mm. Parameter utama yang diselidiki termasuk lebar sayap baja, tulangan sengkang, kekuatan beton, dan beban yang terjadi. Untuk mengevaluasi keakuratan perhitungan yang dilakukan, suatu analisis verifikasi dilakukan dengan membandingkan kapasitas hasil jurnal C.C. dengan hasil kapasitas dari tugas akhir ini pada balok 450 mm x 750 mm. analisa Selanjutnya analisa kapasitas-kapasitas dari semua balok beton bertulang komposit berintikan baja yang menggunakan peraturan ACI, AIJ-SRC, Pendekatan, AISC dan akan dibandingkan dengan hasil analisa kapasitas dari semua balok yang menggunakan software XTRACT Hasil analisis dan perbandingan menunjukkan bahwa nilai dari kapasitas balok beton bertulang komposit berintikan baja yang menggunakan pendekatan adalah yang paling mendekati nilai dari kapasitas balok beton bertulang berintikan baja yang menggunakan software Xtract dengan interval Kata Kunci : Kekuatan, balok beton bertulang komposit berintikan baja, kegagalan diagonal, kegagalan lekatan, variasi penampang balok. I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Sistem beton bertulang komposit dapat menghasilkan bangunan yang membawa manfaat lebih pada struktur bangunan dibandingkan yang bukan komposit, seperti kekuatan dan kekakuan yang lebih baik. Mencegah kegagalan adalah salah satu perhatian utama ketika merancang sebuah struktur balok komposit. Kegagalan dari sebuah balok beton bertulang komposit berintikan baja umumnya melibatkan dua model kegagalan : (1) kegagalan diagonal yang mirip dengan kegagalan dari struktur balok beton bertulang biasa; dan (2) kegagalan lekatan (seperti pada Gambar 1.1), yang menimbulkan retak sepanjang antar muka sayap baja dan beton. Untuk sebuah balok komposit, kegagalan lekatan dapat menjadi kritis ketika lebar sayap baja besar dan mendekati lebar keseluruhan dari balok komposit. Penelitian yang dilakukan di Jepang menunjukkan bahwa retak lekatan sepanjang antar muka sayap baja dan beton menyebabkan kegagalan awal dari beberapa pengujian balok bertulang komposit berintikan baja. (Wakabayashi 1988; Zhang 1993). Gambar 1 Retak kegagalan lekatan sepanjang antar muka dari lebar baja dan beton Di antara pendekatan desain yang dikembangkan untuk beton bertulang komposit berintikan baja, ketentuan desain yang disarankan oleh spesifikasi bangunan Amerika dan oleh peraturan bangunan Jepang adalah dua pendekatan yang secara luas digunakan. Di Amerika Serikat, ketentuan desain dari balok komposit dapat ditemukan di peraturan bangunan American Concrete Institute (ACI) (1999), spesifikasi LRFD American Institute of Steel Construction (AISC) (1993), dan ketentuan gempa [Building seismic safety Council (BSSC) (1997)]. Dalam peraturan ACI, beton dan tulangan transversal memberikan perlawanan pada balok beton komposit berintikan baja. Namun, tidak ada ketentuan desain yang tersedia untuk mencegah kemungkinan kegagalan lekatan. Dalam spesifikasi AISC-LRFD pada Bab I, badan baja dan tulangan transversal berfungsi untuk perlawanan pada balok komposit, tetapi kontribusi dari beton yang konservatif diabaikan. Dalam ketentuan pada Bab 7, meskipun badan baja dan tulangan transversal diperhitungkan untuk perlawanan balok komposit, bagian beton tidak termasuk. Yang paling penting, kedua ketentuan AISC dan tidak memberikan ketentuan desain untuk menghindari kegagalan lekatan yang mungkin terjadi di sepanjang antar muka dari sayap baja dan balok beton bertulang komposit berintikan baja. Di Jepang, konsep superposisi untuk desain dari balok komposit diadopsi dari peraturan bangunan (AIJ 1987) beton tulangan baja (SRC) Architectural Institute of Japan (AIJ). Model kegagalan lekatan dipertimbangkan dalam peraturan desain. Meskipun pedoman Jepang yang komprehensif untuk desain balok komposit, banyak dari pedoman tersebut tidak berlaku untuk konstruksi AS karena perbedaan dalam praktek desain (Ricles 1994). Mengingat hal itulah C.C. melalui jurnalnya dengan judul Shear Strength of Concrete-Encased Composite Structural Members, melakukan studi tentang tipe kegagalan ini terhadap

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) balok beton bertulang berintikan baja dengan dimensi penampang balok 450 mm x 750 mm dengan variasi lebar sayap baja antara mm mm. Maka pada tugas akhir ini akan dilakukan studi yang sama dengan variasi dimensi penampang balok, yaitu 450 mm x 700 mm, 450 mm x 750 mm, 450 mm x 800 mm, 500 mm x 700 mm, 500 mm x 750 mm, dan 500 mm x 800 mm. Parameter utama yang diselidiki termasuk lebar sayap baja, tulangan sengkang, kekuatan beton, dan beban yang terjadi. Untuk mengevaluasi keakuratan perhitungan yang dilakukan, suatu analisis verifikasi dilakukan dengan membandingkan kapasitas hasil jurnal C.C. dengan hasil kapasitas dari tugas akhir ini pada balok 450 mm x 750 mm. analisa Selanjutnya analisa kapasitas-kapasitas dari semua balok beton bertulang komposit berintikan baja yang menggunakan peraturan ACI, AIJ-SRC, Pendekatan, AISC dan akan dibandingkan dengan hasil analisa kapasitas dari semua balok yang menggunakan software XTRACT Perumusan Masalah Bagaimana menentukan kapasitas dari balok komposit berdasarkan metode superposisi yang sesuai dengan peraturan AIJ-SRC (1987). Bagaimana menentukan kapasitas dari balok beton bertulang yang gagal dalam diagonal yang sesuai dengan peraturan ACI (ACI 1999). Bagaimana menentukan kapasitas dari balok beton bertulang komposit berintikan baja yang sesuai dengan pendekatan. Bagaimana menentukan kapasitas diagonal dan lekatan dari beton bertulang yang sesuai dengan peraturan ACI. Bagaimana perbandingan analisa kekuatan di atas dengan analisa kekuatan hasil software XTRACT Tujuan Menentukan kapasitas dari balok komposit berdasarkan metode superposisi yang sesuai dengan peraturan AIJ-SRC (1987). Menentukan kapasitas dari balok beton bertulang yang gagal dalam diagonal yang sesuai dengan peraturan ACI (ACI 1999). Menentukan kapasitas dari balok beton bertulang komposit berintikan baja yang sesuai dengan pendekatan. Menentukan kapasitas diagonal dan lekatan dari beton bertulang yang sesuai dengan peraturan ACI. Membandingkan hasil analisa kekuatan di atas dengan analisa kekuatan hasil software XTRACT Batasan Masalah Tidak meninjau permodelan struktur baja. Tidak meninjau desain plat, kolom, dan pondasi. Tidak memperhitungkan analisa biaya dan metode pelaksanaan. Bagian yang ditinjau hanya analisa kekuatan pada balok beton bertulang komposit berintikan baja Manfaat Untuk memberikan rekomendasi perencanaan balok beton bertulang berintikan baja supaya kegagalan dapat dihindari. II. METODOLOGI PENELITIAN A. Diagram alir penelitian ini dapat dilihat pada gambar 2.1. Gambar. 2 Diagram alir penelitian B. Studi Literatur Pada tahap ini dilakukan studi literatur dari perumusan Pendekatan, AIJ-SRC, ACI, AISC dan tentang : 1. Kapasitas bagian baja, 2. Kapasitas diagonal bagian beton, 3. Kapasitas lekatan bagian beton, dan 4. Kapasitas balok beton bertulang komposit berintikan baja. C. Pengumpulan Data Pengujian Pada tugas akhir ini akan dilakukan perhitungan kapasitas balok beton bertulang komposit berintikan baja untuk penampang balok variasi sebagai berikut : Tabel 1. Dimensi Penampang Balok Beton Bertulang Komposit Berintikan Baja Seri B x D (mm) (mm) x x x x 700

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Seri B x D (mm) (mm) x x 800 Catatan : Penampang baja : WF 500 x x 14 x 22 (mm) adalah penampang buatan (built up section); F yr = 412 MPa; F yh = MPa; beton decking dari permukaan sayap baja 125 mm; jarak tepi balok dari tengah tulangan 64 mm. Mutu beton f c = 27,5 MPa. D. Hasil Kapasitas Geser Seri 2 versi. Tabel 2 Hasil Kapasitas Geser versi No. Metode (mm) (V n ) s (mm) (V n ) rc (kn) (V n ) conp (kn) diagonal lekatan III. HASIL DAN DISKUSI A. Analisa Kekuatan Geser yang menggunakan peraturan ACI. 1. Mencari (V n ) s (V n ) s = 0.6 F ys. A ws Tabel 3 Perhitungan (V n ) s berdasarkan ACI No. d t w A ws F ys (V n ) s mm mm mm 2 MPa kn Mencari (V n ) rc (V n ) rc = V r + V c dengan =.. 0,67 dan balok yang dipengaruhi oleh dan pembengkokan tulangan =0,17 balok yang dipengaruhi oleh, pembengkokan tulangan, dan tarik aksial =0,17 1+0, dan balok yang dipengaruhi oleh, pembengkokan tulangan, dan tekan aksial =0,17 1+0, Dimana (V n ) rc = kapasitas gaya balok beton bertulang; V r = kontribusi dari tulangan transversal; V c = kontribusi dari bagian beton; A v = Luas tulangan transversal dengan jarak S; d = jarak tarikan serat menuju pusat tulangan tekan longitudinal; S = jarak tulangan transversal; f c = kekuatan tarik beton; b = lebar kotor balok beton bertulang; N u = tarik aksial atau tekan aksial yang disyaratkan berdasarkan faktor beban; dan A g = luas kotor balok beton bertulang. Tabel 4 Perhitungan (V n ) rc berdasarkan ACI No. D A v F yh S d ' c V r V c (V n ) rc mm mm MPa mm mm mm MPa kn kn kn 2 kn Mencari (V n ) comp (V n ) comp = (V n ) s + (V n ) rc Tabel 5 Perhitungan (V n ) comp berdasarkan ACI B. Analisa Kekuatan Geser yang menggunakan peraturan AIJ-SRC. 1. Mencari (V n ) comp (V n ) comp = s V u + r V u dimana (V n ) comp = kapasitas dari balok beton bertulang komposit berintikan baja, s V u = kapasitas dari bagian baja; dan r V u = kapasitas dari bagian beton bertulang (RC). =,.. =min, dimana s M u = kapasitas lentur bagian baja; l = bentang bersih dari balok komposit; t w = tebal badan baja; d w = lebar badan baja; F ys = tegangan leleh baja; rm u = kapasitas lentur bagian beton bertulang (RC); dan rv su = kapasitas dalam r V u yang dipengaruhi oleh kegagalan dari bagian beton bertulang (RC). rv su = min ( r V su1, r V su2 ) dimana : No. (V n ) s (V n ) rc (V n ) comp kn kn kn =.. 0,5.. +0,5.. =...+. dimana r V su1 = kapasitas dalam fungsi r V su terhadap kegagalan diagonal bagian RC; r V su2 = kapasitas dalam fungsi r V su terhadap kegagalan lekatan bagian RC; B = lebar kotor balok komposit; r j = jarak antara pusat gaya tekan dengan tarik pada bagian RC di bawah kondisi flexural (kemampuan material (beton/baja) menahan deformasi saat menerima

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) beban (loading)); r α = koefisien yang berhubungan dengan rasio bentang bagian RC, secara umum diambil sama dengan 1; f s = tegangan beton; ρ w = rasio tulangan transversal; F yh = tegangan yield tulangan transversal; dan b = lebar efektif beton. Tabel 6 Perhitungan s V u berdasarkan AIJ-SRC Profil Baja Z x sv u No. d t w tf F ys sm u l mm mm mm mm MPa kn.m m mm 3 cm 3 Vm (kn) Vs (kn) 1 WF 500 x x 14 x ,093,876 3, , WF 500 x x 14 x ,356,776 3, , WF 500 x x 14 x ,619,676 3, , WF 500 x x 14 x ,882,576 3, , WF 500 x x 14 x ,145,476 4, , Tabel 7 Perhitungan r V u berdasarkan AIJ-SRC No. Dimensi b d As F yr f' c a rm u l rv u mm mm mm 2 MPa MPa mm knm m kn x Tabel 8 Perhitungan r V su berdasarkan AIJ-SRC No. Dimensi B d bf b' rj rα fs ρw Fyh rvsu1 rvsu2 rvsu mm mm mm mm MPa % MPa kn kn kn x C. Analisa Kekuatan Geser yang menggunakan peraturan Pendekatan. 1. Mencari (V n ) s (V n ) s = 0.6 F ys. A ws Tabel 9 Perhitungan (V n ) s berdasarkan Pendekatan No. d t w A ws F ys (V n ) s mm mm mm 2 MPa kn Mencari (V n ) rc ( ) = ( ),( ) dimana (V n ) rc menunjukkan kapasitas dari bagian beton bertulang (RC) dalam balok komposit; (V n ) rc1 dan (V n ) rc2 = kapasitas dari bagian beton bertulang (RC) dalam balok komposit yang dikontrol masing-masing oleh kegagalan diagonal dan kegagalan lekatan. ( ) = ( )+0.17 Yang mana rumus pertama tidak seharusnya melampaui 0.67 Bd. ( ) = ( )+ Tabel 10. Perhitungan (V n ) rc berdasarkan Pendekatan No. bf D A v F yh S d b B f ' c µ f K1 (Vn)rc1 (Vn)rc2 (Vn)rc mm mm mm 2 MPa mm mm mm mm MPa kn kn kn Mencari (V n ) comp (V n ) comp = (V n ) s + (V n ) rc Tabel 11 Perhitungan (V n ) comp berdasarkan Pendekatan No. (V n ) s (V n ) rc (V n ) comp mm kn kn kn D. Analisa Kekuatan Geser yang menggunakan peraturan AISC dan. 1. Mencari (V n ) s (V n ) s = 0.6 F ys. A ws Tabel 12 Perhitungan (V n ) s berdasarkan ACI No. d t w A ws F ys (V n ) s mm mm mm 2 MPa kn Mencari (V n ) rc Untuk kolom beton bertulang komposit berintikan baja, spesifikasi AISC dan tidak ada panduan desain yang jelas yang memperhatikan penentuan kapasitas dari kolom-kolom komposit. Hal ini juga dicatatkan bahwa tidak ada ketentuan yang berhubungan untuk mengabaikan kegagalan lekatan pada balok komposit. 3. Mencari (V n ) comp (V n ) comp = (V n ) s + (V n ) rc = = kn E. Rekapitulasi Hasil Perhitungan Balok Beton Bertulang Komposit Berintikan Baja Seri 2. Tabel 13 Hasil Perhitungan Balok Beton Bertulang Komposit Berintikan Baja Seri 2 No. Metode (V n ) s (V n ) rc (kn) (mm) (mm) (V n ) conp (kn) diagonal lekatan

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) F. Validasi Hasil Perhitungan Balok Beton Bertulang Komposit Berintikan Baja Seri 2 yang menggunakan Balok Beton Bertulang Komposit Berintikan Baja Seri 2 yang menggunakan ACI, AIJ-SRC, Pendekatan, AISC, dan dengan Hasil Kapasitas Geser. Tabel 14 Validasi Hasil Perhitungan Antara Peraturan ACI, AIJ-SRC, Pendekatan, AISC dan dengan Hasil Kapasitas Geser No. Metode (V n ) comp (kn) (mm) Peraturan Rasio (V n ) comp Peraturan Dari tabel 14 dapat dilihat tidak ada perbedaan yang mencolok antara Analisa Kekuatan Geser terhadap benda balok beton bertulang komposit berintikan baja seri 2 yang menggunakan peraturan ACI, Pendekatan, dan AISC serta dengan hasil kapasitas dari. Hal ini dapat dilihat dari rasio yang berkisar antara -. Sehingga kita dapat melanjutkan perhitungan ke balok beton bertulang komposit berintikan baja seri yang lain. Berikut hasil perhitungan analisa kekuatan balok beton bertulang berintikan baja seri yang lain termasuk seri 2 : Tabel 15 Hasil Analisa Kekuatan Geser yang Menggunakan ACI, AIJ-SRC, Pendekatan, AISC dan dari semua seri. No. Metode (V n) comp Balok Beton Bertulang Komposit Berintikan Baja (mm) Seri 1 Seri 2 Seri 3 Seri 4 Seri 5 Seri G. Hasil Analisa Kekuatan Geser yang Menggunakan Software Xtract Tabel 16 Hasil Analisa Kekuatan Geser yang Menggunakan Software XTRACT No. Metode 1 Software Xtract (V n) comp Balok Beton Bertulang Komposit Berintikan Baja (mm) Seri 1 Seri 2 Seri 3 Seri 4 Seri 5 Seri Dalam perhitungan kapasitas yang menggunakan software XTRACT dapat kita lihat pada tabel 16 bahwa variasi lebar sayap baja - mm memberikan pengaruh terhadap hasil kapasitas. Dan juga dapat kita lihat bahwa semakin tebal sayap baja maka semakin besar pula nilai kapasitas nya tiap meternya. Kecuali pada balok baton beton bertulang komposit berintikan baja seri 4. H. Verifikasi Hasil Analisa Kekuatan Geser yang menggunakan peraturan ACI, AIJ-SRC, Pendekatan, AISC dan dengan Analisa Kekuatan Geser yang menggunakan software XTRACT Tabel 17 Verifikasi Hasil Analisa Kekuatan Geser yang menggunakan peraturan ACI, AIJ-SRC, Pendekatan, AISC dan dengan Hasil Analisa Kekuatan Geser yang menggunakan software XTRACT No. 5 Metode 3 4 Pendekata n AISC dan Software Xtract Rasio (Vn)comp Peraturan-Xtract (mm) Case Seri 1 Case Seri 2 Case Seri 3 Case Seri 4 Case Seri 5 Case Seri Tabel 17 adalah tabel yang menunjukkan rasio kapasitas ((V n ) comp )) antara tiap peraturan (ACI, AIJ-SRC, Pendekatan, AISC dan ) dengan software Xtract Pada tabel 8.3 dapat kita lihat bahwa nilai dari kapasitas balok beton bertulang komposit berintikan baja yang menggunakan peraturan ACI adalah yang paling mendekati nilai dari kapasitas balok beton bertulang berintikan baja yang menggunakan software Xtract dengan interval pada balok beton bertulang komposit berintikan baja seri 1. Pada balok beton bertulang komposit berintikan baja seri 2 dengan interval Pada balok beton bertulang komposit berintikan baja seri 3 dengan interval Pada balok beton bertulang komposit berintikan baja seri 4 dengan interval Pada balok beton bertulang komposit berintikan baja seri 5 dengan interval Dan pada balok beton bertulang komposit berintikan baja seri 6 dengan interval

6 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) IV. KESIMPULAN/RINGKASAN Dari hasil perhitungan baik yang menggunakan peraturan maupun software XTRACT diperoleh kesimpulan sebagai berikut : Nilai dari kapasitas balok beton bertulang komposit berintikan baja merupakan superposisi dari kapasitas profil baja dan kapasitas beton bertulang, dimana faktor perubahan penampang beton bertulang lebih menentukan daripada faktor perubahan penampang baja. Nilai-nilai yang diprediksi dengan menggunakan spesifikasi AISC dan adalah yang paling konservatif di antara lima pendekatan. Hal ini terutama karena kontribusi kapasitas dari bagian beton bertulang (konservatif) diabaikan dalam spesifikasi AISC dan. Nilai dari kapasitas balok beton bertulang komposit berintikan baja dari semua seri yang menggunakan peraturan ACI adalah yang paling mendekati nilai dari kapasitas balok beton bertulang berintikan baja yang menggunakan software Xtract. DAFTAR PUSTAKA [1] Architectural Institute of Japan (AIJ). (1987). Standards for structural calculation of steel reinforced concrete structures, Tokyo. [2] American Concrete Institute (ACI). (1999). Buildings code requirements for structural concrete. ACI , Detroit. [3] ASCE ACI Task Committee 426. (1973). The shear strength of reinforced concrete members. J. Struct. Div., ASCE, 99(6), [4] American Institute of Steel Construction (AISC). (1993). Load and resistance factor design specification for structural steel buildings, 2nd [5] Ed., Chicago. Building Seismic Safety Council (BSSC). (1997). recommended [6] provisions for the development of seismic regulations for new buildings and other structures, Washington, D.C. [7] Hofbeck, J. A., Ibrahim, I. O., and Mattock, A. H. (1969). Shear transfer in reinforced concrete. ACI J., 66(2), [8] MacGregor, J. G. (1997). Reinforced concrete: Mechanics and design, 3rd Ed., Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J. [9] Mattock, A. H., and Hawkins, N. M. (1972). Shear transfer in reinforced concrete Recent research. J. Prestressed Concrete Inst., 17(2), [10] Priestley, M. J. N., Seible, F., Xiao, Y., and Verma, R. (1994a). Steel jacket retrofitting of reinforced concrete bridge columns for enhancing shear strength Part 1: Theoretical considerations and test design. ACI Struct. J., 91(4), [11] Priestley, M. J. N., Seible, F., Xiao, Y., and Verma, R. (1994b). Steel jacket retrofitting of reinforced concrete bridge columns for enhancing shear strength Part 2: Test results and comparison with theory. ACI Mat. J., 91(5), [12] Ricles, J. M., and Paboojian, S. D. (1994). Seismic performance of steelencased composite columns. J. Struct. Engrg., ASCE, 120(8), [13] Wakabayashi, M. (1988). A historical study of research on composite construction in Japan. Proc., Compos. Constr. in Steel and Concrete Conf., ASCE, New York, [14] Zhang, F., and Yamada, M. (1993). Composite columns subjected to bending and shear. Proc., Compos. Constr. in Steel and Concrete II, ASCE, New York,