ANALISA EFEK KEKANGAN EXTERNAL CONFINEMENT TERHADAP DEFORMASI BETON DENGAN MENGGUNAKAN SAP 2000

Transkripsi

1 Media Teknik Sipil, Volume XI, Juli 2011 ISSN ANALISA EFEK KEKANGAN EXTERNAL CONFINEMENT TERHADA DEFORMASI BETON DENGAN MENGGUNAKAN SA 2000 Endah Safitri 1), Nuroji 2) 1)Fakultas Teknik, Jurusan Teknik Sipil, Uiversitas Sebelas Maret, Jl. Ir. Sutamai 36A, Surakarta 57126; Telp ) Fakultas Teknik, Jurusan Teknik Sipil, Universitas Diponegoro; Jl. rof Sudarto, Tembalang ;Telp nuroji.undip@gmail.com Abstrak Untuk mengurangi korban jiwa dan harta benda pada saat gempa maka diperlukan perencanaan struktur tahan gempa. Yaitu suatu desain elemen struktur yang tahan gempa, yang memiliki daktilitas tinggi. Salah satu cara untuk meningkatkan daktilitas adalah dengan pengekangan elemen beton bertulang. SA 2000 dapat untuk menganalisa secara sederhana pemodelan finite element beton yang terkekang external confinement yang berupa cincin silinder baja. Efek kekangan terlihat dengan perubahan yang terjadi pada besarnya deformasi/regangan akibat perbedaan tebal cincin silinder baja atau rasio lebar cincin-jarak antar cincin yang dipakai untuk mengekang silinder beton pada pembebanan aksial yang sama besarnya. Kata kunci: cincin silinder baja, deformasi, external confinement, regangan Abstract The earthquake-resistant structural design is necessary to reduce loss of life and property in an earthquake. That is a design earthquake-resistant structural elements, which have high ductility. The one way to improve the ductility of reinforced concrete elements is confinement. SA 2000 can be simple to analyze the finite element modeling of a restrictive external confinement of concrete in the form of a ring of steel cylinders. Confinement effects seen with changes in the magnitude of deformation/strain due to differences in thick steel cylindrical ring or the width of distance between the rings ratio are used to confined the concrete cylinders at the same axial load. Keywords: external confinement, deformation, strain, steel cylinder ring 1. ENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Indonesia merupakan sebuah negara yang secara geografis terletak tepat diatas lempeng tektonik (lempeng Indo-Australia, Eurasia, dan asifik), dilintasi 2 jalur gempa (Circum acific Earthquake Belt dan Trana Asiatic Earthquake Belt), serta dilalui jalur (cincin) gunung api dunia (Ring of Fire Java/Sunda Trench) [9]. Keadaan geografis ini menyebabkan Indonesia menjadi salah satu negara dengan resiko gempa yang besar. Beberapa gempa besar telah tercatat pernah terjadi di Indonesia. Salah satu gempa besar yang pernah terjadi adalah gempa tektonik di adang pada tanggal 30 September 2009 yang berkekuatan kurang lebih 7,6 magnitude yang menyebabkan kehancuran besar di wilayah tersebut dan menimbulkan banyak korban jiwa. Untuk mengurangi jatuhnya korban jiwa dan harta benda, maka perlu dilakukan mitigasi gempa dalam bidang perencanaan struktur yaitu dengan merencanakan struktur tahan gempa. Untuk memperoleh struktur tahan gempa diperlukan suatu desain elemen struktur tahan gempa yang memiliki daktilitas tinggi [9]. ada 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. Akan tetapi 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. Salah satu cara untuk meningkatkan daktilitas adalah dengan pengekangan elemen beton bertulang. ada prinsipnya pengekangan (confinement) akan meningkatkan daktilitas dan kuat tekan dengan cara mencegah ekspansi yang terjadi akibat efek poison selama pembebanan berlangsung. Dengan kekangan akan menambah besar tegangan dan regangan tekan maksimum beton. 134

2 1.2.Tujuan Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui efek kekangan external confinemet yang berupa cincin silinder baja terhadap deformasi dan regangan beton dengan menganalisanya menggunakan SA STUDI USTAKA engekangan (confinement) meningkatkan daktilitas dan kuat tekan beton dengan cara mencegah ekspansi yang terjadi akibat efek oisson selama pembebanan. erilaku beton terkekang akan sangat dipengaruhi oleh efektivitas pengekangnya [6]. Gambar 1. memperlihatkan perbedaan antara beton bertulang terkekang dan yang tak terkekang. erbandingan antara hasil eksperimen dan analisis dari penelitian-penelitian diatas menunjukkan bahwa model yang digunakan memberikan prediksi yang memuaskan dari kuat tekan ultimate, failure strain dan respon tegangan-regangannya. Deformasi diartikan sebagai perubahan bangun dari sistem struktur yang terbuat dari bahan yang memiliki kelentukan, akibat beban ataupun pengaruh luar [4]. Dalam menjabarkan ekstensi dari perubahan bangun yang terjadi, didefinisikan regangan (strain) sebagai besaran pengukur. Apabila sebuah batang prismatis dibebani dalam keadaan tekan, maka pemendekan aksialnya diikuti dengan pemuaian (tegak lurus terhadap arah bekerjanya beban). Gambar 1. Efek pengekangan tulangan spiral pada daerah tekan balok [6] Confinement efektif pada daerah tekan beton. Oleh karena itu Base (1962) mengaplikasikan pengekang konvensional (sengkang) dan pengekangan spiral pada daerah tekan [9]. Akhir-akhir ini dikembangkan penelitian tentang Concrete Filled Steel Tubes (CFST). CFST adalah elemen struktur komposit yang terdiri dari sebuah tabung baja dan beton pengisi. CFST mengoptimalkan kontribusi kedua komponen dengan meningkatkan efisiensi geometrik dan sepenuhnya menggunakan kekuatan yang ada pada mereka. Beton pengisi dikekang oleh tabung baja, sehingga dalam kondisi tekanan triaksial akan meningkatkan kapasitas kekuatan dan regangan beton [8]. Muslikh [7] mengembangkan penelitian CFST dengan memakai beton ringan (lightweight concrete) dan tabung baja dengan tampang lingkaran. Hasil penelitian dari Roeder [8] menunjukkan bahwa metode tegangan plastis merupakan metode yang sederhana namun efektif untuk memprediksi kekuatan CFST dibawah kombinasi pembebanan. Yu [12] mengembangkan lebih lanjut dengan meneliti variasi CFST berlubang. Yu [11] meneliti perilaku CFST dengan berbagai macam variasi diameter kolom/tebal tabung baja (D/t) dan eksentrisitas (e). Ellobody [2] meneliti kolom CFST dengan memakai beton normal dan beton mutu tinggi dengan model finite elemen untuk menganalisanya. Huang [5] berhasil memodelkan kolom CFST berlubang untuk memprediksi perilakunya dengan analisis finite elemen. Song [10] meneliti tentang kolom CFST dibawah kombinasi pembebanan dan temperature, untuk mengetahui perilaku kolom CFST saat terjadi kebakaran gedung dan Aly [1] meneliti tentang kolom CFST dibawah pembebanan statis dan dinamis. Gambar 2.. emendekan aksial dan pemuaian dari sebuah batang dalam keadaan tekan Gambar 2. memperlihatkan perubahan bentuk dimana garis putus-putus menyatakan bentuk sebelum pembebanan dan garis lurus menyatakan bentuk setelah pembebanan. Regangan sebanding dengan regangan aksial dalam jangkauan elastis linier, asalkan bahannya homogen dan isotropik [3]. emuaian dari sebuah batang dalam keadaan tekan adalah suatu ilustrasi dari regangan tanpa adanya tegangan yang bersangkutan. Tidak ada tegangan normal dalam arah transversal sebuah batang yang dibebani secara aksial, meskipun terdapat regangan adalah karena efek oisson. 3. METODE ENELITIAN Untuk mengetahui efek kekangan external confinemet yang berupa cincin silinder baja terhadap deformasi dan regangan beton digunakan analisa finite element dengan program SA 2000 V Sebuah silinder beton 150 mm x 450 mm. silinder dibagi menjadi 60 pias (tiap pias 7,5 mm). Diatas silinder beton diberi plat baja dengan tebal 4 pias ( 30 mm) dengan beban sentris sebesar = 1000 KN roperti beton : poisson ratio = 0,2; Mutu beton (fc ) = 40 Ma, Modulus elastisitas beton E c = 4700 fc ' = 29725,41001 Ma, dan berat jenis beton = 2, N/mm 3 135

3 6 pias (45 mm) 8 pias (60 mm) 0,75 1,2,3,4, dan 5 6 pias (45 mm) 9 pias (67,5 mm) 0,667 1,2,3,4, dan 5 6 pias (45 mm) 10 pias (75 mm) 0,6 1,2,3,4, dan 5 6 pias (45 mm) 12 pias (90 mm) 0,5 1,2,3,4, dan 5 t 4. HASIL DAN EMBAHASAN a. Untuk rasio = 1 dengan berbagai variasi tebal cincin dari analisa SA didapat hasil sebagai berikut : b a (a) (b) Gambar 3. (a).detail benda uji silinder beton dan (b). External confinement cincin silinder baja Keterangan : a adalah lebar cincin, b adalah jarak antar cincin dan t adalah tebal cincin. ada input SA tumpuan silinder beton tiap adalah roll, kecuali pusat berupa sendi. External confinement cincin baja diasumsikan sebagai sebuah membrane tipis yang menyelubungi silinder beton dengan jarak tertentu. (a). enampang silinder (b). otongan x-y (c). otongan x-z Beton terkekang Gambar 4..Benda uji silinder beton yang terkekang cincin silinder baja (a). enampang cincin silinder baja (b). otongan x-z Gambar 5. External confinement cincin silinder baja ada pemodelan ini digunakan besar a konstan selebar 6 pias ( 45 mm), dengan variasi pada panjang b. Tebal cincin bervariasi sebesar 1,2,3,4 dan 5 mm pada masing-masing berbagai variasi rasio. Tabel 1. arameter variabel external confinement cincin silinder baja. a b t 6 pias (45 mm) 2 pias (15 mm) 3 1,2,3,4, dan 5 6 pias (45 mm) 3 pias (22,5 mm) 2 1,2,3,4, dan 5 6 pias (45 mm) 4 pias (30 mm) 1,5 1,2,3,4, dan 5 6 pias (45 mm) 6 pias (45 mm) 1 1,2,3,4, dan 5 Gambar 6. Deformasi dan regangan untuk rasio =1 dengan berbagai variasi tebal cincin Efek pengekangan bisa terlihat pada gambar diatas. ada Gambar 6. terlihat bahwa bentuk grafik antara tinggi silinder 0 s.d. 300 mm mempunyai ciri yang tetap pada beton terkekang dan beton yang tak terkekang. Terjadi perubahan bentuk grafik diatas tinggi silinder 300 mm, hal ini dikarenakan adanya distorsi akibat pengekangan plat baja diatas silinder beton. ada analisa SA 2000, plat baja dan silinder beton teranalisa menjadi satu kesatuan sehingga plat baja akan mengekang permukaan atas silinder beton. Oleh karena itu dipakai data diantara tinggi silinder baja 0 s.d. 300 mm yang bentuk grafiknya konstan. ada tebal cincin = 0 mm (beton tak terkekang), deformasi/regangan bentuk grafiknya lurus. Artinya saat menerima beban aksial = 1000 kn sepanjang tinggi silinder beton akan berdeformasi dengan besar yang sama. Beton yang tak terkekang (t=0 mm) deformasi/ regangan lebih besar daripada beton yang terkekang. ada variasi tebal cincin 1,2,3,4 dan 5 mm terlihat bahwa tebal cincin berbanding terbalik dengan besarnya deformasi. Artinya semakin besar tebal cincin maka silinder beton akan berdeformasi semakin kecil. Atau bisa dikatakan disini efek pengekangan semakin besar seiring dengan penambahan tebal cincin. Untuk mengetahui besar efek pengekangan diambil data pada tinggi silinder 112,5 cm dari bawah (pada tengah beton yang terkekang). 136

4 Tabel 2. Deformasi dan Regangan Lateral pada rasio = 1 (dengan tebal cincin = 5 mm) t Deformasi Regangan enurunan deformasi (%) enurunan regangan (%) 0 0, , , , ,859-5, , , ,116-11, , , ,852-15, , , ,141-20, , , ,047-24,031 Untuk pembebanan yang sama = 1000 kn, dari Tabel 2. terlihat bahwa semakin besar tebal cincin pengekang maka semakin kecil deformasi/regangan. Artinya untuk mencapai deformasi/regangan yang sama besarnya, beton yang terkekang dengan tebal yang lebih besar bisa menerima beban yang lebih besar daripada beton yang tak terkekang atau beton yang terkekang dengan tebal yang lebih kecil. b. Untuk tebal cincin pengekang = 5 mm dengan berbagai variasi rasio dari analisa SA didapat hasil sebagai berikut : Gambar 7. Deformasi dan regangan untuk tebal cincin pengekang = 5 mm dengan berbagai variasi rasio Dipakai data diantara tinggi silinder baja 0 s.d. 300 mm yang bentuk grafiknya mempunyai ciri yang tetap pada beton terkekang dan beton yang tak terkekang.. Dari Gambar 7. terlihat bahwa pada rasio = 0 (beton tak terkekang), deformasi/regangan bentuk grafiknya lurus. Artinya saat menerima beban aksial = 1000 kn sepanjang tinggi silinder beton akan berdeformasi dengan besar yang sama. ada variasi terlihat bahwa semakin besar rasio maka semakin kecil deformasi yang terjadi pada silinder beton. Artinya semakin kecil jarak antar cincin maka efek pengekangan semakin besar. Untuk mengetahui besar efek pengekangan diambil data pada tiap tengah beton yang terkekang. Tabel 3. Deformasi dan Regangan Lateral untuk tebal cincin pengekang = 5 mm dengan berbagai variasi rasio Deformasi Regangan enurunan deformasi (%) enurunan regangan (%) 0 120,0 0, , ,5 157,5 0, , ,227-24,227 0,6 142,5 0, , ,101-24,101 0, ,0 0, , ,043-24,043 0,75 232,5 0, , ,134-24, ,5 0, , ,150-24,150 1,5 172,5 0, , ,541-24, ,5 0, , ,990-24, ,5 0, , ,711-25,711 Untuk pembebanan yang sama = 1000 kn, dari Tabel 3. terlihat bahwa semakin besar rasio (semakin kecil jarak antar cincin) maka semakin kecil deformasi/regangan. Artinya untuk mencapai deformasi/regangan yang sama besarnya, beton yang terkekang dengan jarak antar cincin yang lebih kecil bisa menerima beban yang lebih besar daripada beton yang tak terkekang atau beton yang terkekang dengan jarak antar cincin yang lebih besar. Tabel 4. yang terjadi di dalam beton terkekang akibat gaya tekan aksial, dengan tebal cincin pengekang = 5 mm dengan berbagai variasi rasio σ11 arah x) σ22 arah y) σ33 arah z) 0 120,0 0, , , ,5 157,5-4, , , ,6 142,5-4, , , , ,0-4, , , ,75 232,5-4, , , ,5-4, , , ,5 172,5-4, , , ,5-4, , , ,5-4, , , Data tegangan diambil pada tiap tengah beton yang terkekang. Tabel 4. memperlihatkan bahwa pada rasio = 0 (beton tak terkekang) nilai tegangan σ 11 dan σ 22 mendekati nilai nol, sehingga hanya ada nilai tegangan σ 33. Artinya pada beton tak terkekang, pada saat menerima beban tekan aksial hanya bekerja tegangan uniaksial yaitu tegangan arah z (searah dengan beban aksial). ada arah x dan y () beton bebas berdeformasi, sehingga tidak menimbulkan tegangan pada beton. ada beton yang terkekang ada nilai tegangan σ 11 dan σ 22 walaupun kecil bila dibandingkan dengan nilai tegangan σ

5 Gambar 8. yang terjadi pada beton akibat gaya tekan aksial Gambar 8b. memperlihatkan external confinement cincin silinder baja mengekang beton untuk berdeformasi kearah, sehingga timbul tegangan (σ 11 dan σ 22) pada beton selain tegangan σ 33 yang terjadi akibat pembebanan aksial pada beton triaksial). Nilai tegangan σ 33 pada semua rasio nilainya hampir mendekati konstan sama besarnya, karena tegangan arah sumbu z tidak terpengaruh dengan kekangan. Untuk mengetahui tegangan dan gaya yang terjadi pada cincin silinder baja diambil data pada tengah silinder baja. Tabel 5. di dalam cincin pengekang dengan tebal = 5 mm akibat gaya tekan aksial σ11 arah x) σ22 arah y) σ12 geser bidang x arah y) 0,5 157,5 64, ,6 142,5 64, , ,0 64, ,75 232,5 64, ,5 64, ,5 172,5 64, ,5 63, ,5 63, Tabel 6. Gaya yang terjadi di dalam cincin pengekang dengan tebal = 5 mm akibat gaya tekan aksial σ 33 a. Beton tidak terkekang y Gaya F1 (gaya arah x) N Gaya F2 (gaya arah y) N Gaya F3 (gaya arah z) N 0,5 157,5 322, ,6 142,5 322, , ,0 323, ,75 232,5 322, ,5 322, z x σ 22 σ 33 σ 11 b. Beton terkekang 1,5 172,5 320, ,5 318, ,5 315, Dari Tabel 6. terlihat bahwa tegangan dan gaya yang terjadi di dalam cincin silinder baja hanya terjadi pada sumbu (sumbu x). Hal ini sebagai reaksi akibat deformasi beton yang dibebani gaya aksial. Cincin silinder baja memberikan reaksi berupa kekangan. ada arah aksial (sumbu z) tidak ada gaya reaksi karena tidak terjadi tegangan geser antara bidang muka beton dengan bidang muka cincin silinder baja, sehingga tidak timbul gaya arah aksial. Cincin baja merupakan suatu membran (shell) yang mempunyai ketebalan dinding sangat kecil dibanding jari-jarinya sehingga tidak terjadi tegangan dan gaya reaksi arah sumbu y. y z x a. Beton terkekang Gambar 9. yang terjadi pada External confinement cincin silinder baja akibat gaya tekan aksial Gambar 9b. dan Tabel 5. memperlihatkan tegangan di dalam external confinement cincin silinder baja hanya terjadi pada arah sumbu x. Hal ini berarti bahwa external confinement cincin silinder baja memberikan reaksi dengan mengekang beton untuk berdeformasi kearah, sehingga timbul tegangan (σ 11) pada cincin silinder baja. σ 11 disebut tegangan sirkumferensial (cirkumferential stress) atau tegangan lingkar (hoop stress). 5. SIMULAN σ 11 b. External confinement cincin silinder baja Dari uraian diatas memperlihatkan bahwa SA 2000 dapat untuk menganalisa secara sederhana finite element beton yang terkekang external confinement yang berupa cincin silinder baja. Efek kekangan terlihat dengan perubahan yang terjadi pada besarnya deformasi/regangan akibat perbedaan tebal cincin silinder baja atau rasio yang dipakai untuk mengekang silinder beton dengan pembebanan yang sama besarnya. Catatan bahwa SA 2000 hanya menganalisa pada kondisi elastis linier sehingga perlu pemodelan yang 138

6 lebih akurat pada keadaan plastis non linier untuk menunjukkan perilaku yang sebenarnya pada beton terkekang. 6. DAFTAR USTAKA [1] Aly, T,. Thayalan, M. Elchalakani, I. atnaikuni, 2010, Theoritical Study on Concrete-Filled Steel Tubes Under Static and Variable Repeated Loadings, Journal of Constructional Steel Research Volume 66 pp [2] Ellobody, Ehab; Ben Young, Dennis Lam, 2006, Behaviour of Normal and High Strength Concrete-Filled Compact Steel Tube Circular Stub Columns, Journal of Constructional Steel Research Volume 62 pp [3] Gere, dan Timoshenko, 1984, Mekanika Bahan Edisi Kedua Versi S1, enerbit Erlangga, Jakarta [4] Hariandja, Binsar, 1996, Mekanika Teknik : Analisis Lanjut Sistem Struktur Berbentuk Rangka, enerbit Erlangga, Jakarta [5] Huang, Hong; Lin-Hai Han, Zhong Tao, Xiao- Ling Zhao, 2010, Analytical Behavior of Concrete-Filled Double Skin Steel Tubular (CFDST) Stub Columns, Journal of Constructional Steel Research Volume 66, pp [6] Jeffry, Ross, Muhammad N.S. Hadi, 2008, The Effect of Confinement Shapes on Over Reinforced HSC Beams, World Academy of Science, Engineering and Technology 40, pp [7] Muslikh, 2005, engaruh Kekangan Beton Terhadap Interaksi Gaya Aksial dan Momen Ultimit ada Kolom Tubular Komposit Lingkaran, Disertasi ITB, Bandung [8] Roeder, Charles W; Dawn E. Lehman, Erik Bishop, 2010, Strength and Stiffness of Circular Concrete-Filled Tubes, Journal of Structural Engineering ASCE, Volume 12 pp Desember 2010 [9] Susilorini, Retno; Kusno Adi Sambowo, 2010, erencanaan Beton Bertulang Lanjutan - Daktilitas Balok beton Bertulang, enerbit Surya erdana, Semarang [10] Song, Tian-Yi; Lin-Hai han, Hong-Xia Yu, 2010, Concrete Filled Steel Tube Stub Columns Under Combined Temperature and Loading, Journal of Constructional Steel Research Volume 66 pp [11] Yu, Zhi-Wu; Fa-xing Ding, CS Cai, 2007, Experimental Behavior of Circular Concrete-Filled Steel Tube Stub Columns, Journal of Constructional Steel Research Volume 63 pp [12] Yu, Min; Xiaoxiong Zha, Jianqiao Ye, Chuyan She, 2010, A unified Formulation for Hollow and Solid Concrete-Filled Steel Tube Columns Under Axial Compression, Engineering Strutures Volume 32, pp