BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA A. Umum Pada abad ke-19 muncul material baru yang dinamakan dengan baja yang merupakan logam paduan antara besi dan karbon. Material baja mengandung kadar karbon yang lebih sedikit daripada besi tuang, dan mulai digunakan dalam konstruksi-konstruksi berat. Pembuatan baja dalam volume besar dilakukan pertama kali oleh Sir Henry Bessemer dari Inggris. Sir Henry menerima hak paten dari pemerintah Inggris pada tahun 1855 atas temuannya tersebut.(setiawan, 2008) Balok baja yang dicor dalam beton banyak digunakan sejak awal abad 19 sampai ditemukannya bahan berbobot ringan untuk perlindungan terhadap api pada 25 tahun terakhir. Beberapa balok seperti ini direncanakan secara komposit, sedang lainnya tidak. Pada awal dekade 1930, konstruksi jembatan mulai menggunakan penampang komposit. Sebelum awal dekade 1960, konstruksi komposit untuk gedung tidak ekonomis. Namun praktek dewasa ini memanfaatkan aksi komposit pada hampir semua keadaan dimana baja dan beton saling melekat, baik pada jembatan maupun pada gedung. (Salmon & Johnson, 1995) Karena struktur komposit melibatkan dua macam material yang berbeda, maka perhitungan kapasitasnya tidak sesederhana bila struktur bukan komposit. Karakteristik dan dimensi kedua bahan akan menentukan bagaimana pemilihan 5

2 jenis profil dan plat beton yang akan dikomposisikan dan kinerja struktur tersebut (Suprobo, 2000) Sistem struktur komposit sendiri terbentuk akibat interaksi antara komponen struktur baja dan beton yang karakteristik dasar masing-masing bahan dimanfaatkan secara optimal. Karakteristik penting yang dimiliki oleh struktur baja adalah kekuatan tinggi, modulus elastilitas tinggi, serta daktilitas tinggi. Sedangkan karakteristik penting yang dimiliki oleh struktur beton adalah ketahanan yang baik terhadap api, mudah dibentuk,dan murah.(dong Keon Kim,2005) B. Struktur Komposit Struktur komposit (Composite) merupakan struktur yang terdiri dari dua material atau lebih dengan sifat bahan yang berbeda dan membentuk satu kesatuan sehingga menghasilkan sifat gabungan yang lebih baik. batang komposit terdiri dari profil baja dan beton yang digabung bersama untuk memikul beban tekan dan atau lentur. Secara umum struktur kompoasit berupa : 1. Kolom baja terbungkus beton / balok baja terbungkus beton (Gambar a/d) 2. Kolom baja berisi beton/tiang pancang (Gambar b/c) 3. Balok baja yang menahan slab beton (Gambar e) 6

3 Gambar 2.1 Macam-macam struktur komposit C. Aksi Komposit Aksi komposit timbul bila dua batang struktural pemikul beban seperti konstruksi lantai beton dan balok baja penyanggah disambung secara integral dan melendut secara satu kesatuan. Besarnya aksi komposit yang timbul bergantung pada penataan yang dibuat untuk menjamin regangan linear tunggal dari atas pelat beton sampai muka bawah penampang baja. (Salmon & Johnson, 1995) Gambar 2.2 Perbandingan antara balok yang mengalami defleksi dengan dan tanpa aksi komposit.(sumber Salmon & Johnson 1995) 7

4 Untuk memahami konsep kelakuan komposit, pertama tinjaulah balok yang tidak komposit dalam gambar 2.2.a. pada keadaan ini, jika gesekan antara pelat dan balok diabaikan, balok dan pelat masing-masing memikul suatu bagian beban secara terpisah, yang diperjelas dalam gambar 2.3.a. Bila pelat mengalami deformasi akibat beban vertikal, permukaan bawahnya akan tertarik dan memanjang; sedang permukaan atas balok tertekan dan memendek. Jadi, diskontinuitas akan terjadi pada bidang kontak. Karena gesekan diabaikan, maka hanya gaya dalam vertikal yang bekerja antara pelat dan balok. (Salmon & Johnson, 1995) Bila suatu sistem bekerja secara komposit (gambar 2.3.b dan 2.3.c), pelat dan balok tidak akan tergelincir relatif satu dengan yang lainnya. Gaya horisontal (geser) timbul dan bekerja pada permukaan bawah pelat sehingga pelat tertekan dan memendek, dan pada saat yang sama gaya horisontal bekerja di atas permukaan balok sehingga balok memanjang. (Salmon & Johnson, 1995) Dengan memperhatikan distribusi regangan yang terjadi bila tidak ada interaksi antara pelat beton dan balok baja (gambar 2.3.a), terlihat bahwa momen perlawanan total sama dengan : ƩM = Mplat + Mbalok Perhatikan bahwa untuk kasus ini ada dua garis netral; satu di titik berat pelat dan lainnya di titik berat balok. Pergelinciran horisontal akibat tarikan pada dasar pelat dan tekanan pada puncak balok juga terjadi. Selanjutnya, tinjaulah keadaan yang hanya memiliki interaksi parsial, gambar 2.3.b. Garis netral plat lebih dekat ke balok dan garis netral balok lebih dekat ke pelat. Akibat interaksi parsial, pergelinciran horisontal sekarang berkurang. Interaksi parsial juga menimbulkan 8

5 gaya tekan dan tarik parsial C dan T, yakni masing-masing kapasitas maksimum pelat beton dan balok baja. Momen penahan pada penampang sekarang meningkat sebesar T e atau C e. (Salmon & Johnson, 1995) Bila interaksi penuh antara pelat dan balok bisa dikembangkan, pergelinciran tidak terjadi dan diagram regangannya diperlihatkan pada gambar 2.3.c. Pada keadaan ini timbul garis netral gabungan yang terletak di bawah garis netral pelat dan di atas garis netral balok. Juga, gaya tekan dan tarik (C dan T ) lebih besar dari C dan T yang timbul pada interaksi parsial. Jadi, momen penahan dari penampang komposit penuh adalah SM = T "e" atau C"e" Gambar 2.3 Variasi tegangan pada balok-balok komposit. (Salmon & Johnson, 1995) 9

6 D. Balok Komposit Balok adalah salah satu diantara elemen-elemen struktur yang paling banyak dijumpai pada setiap struktur. Balok adalah elemen struktur yang memikul beban yang bekerja tegak lurus dengan sumbu longitudinalnya. Hal ini akan menyebabkan balok melentur (Spiegel & Limbrunner,1998) Sebuah balok komposit (composite beam) adalah sebuah balok yang kekuatannya bergantung pada interaksi mekanis diantara dua atau lebih bahan (Bowles,1980). Beberapa jenis balok komposit antara lain : 1. Balok komposit penuh Untuk balok komposit penuh, penghubung geser harus disediakan dalam jumlah yang memadai sehingga balok mampu mencapai kuat lentur maksimumnya. Pada penentuan distribusi tegangan elastis, slip antara baja dan beton dianggap tidak terjadi (SNI Ps ). 2. Balok komposit parsial Pada balok komposit parsial, kekuatan balok dalam memikul lentur dibatasi oleh kekuatan penghubung geser. Perhitungan elastis untuk balok seperti ini, seperti pada penentuan defleksi atau tegangan akibat beban layan, harus mempertimbangkan pengaruh adanya slip antara baja dan beton (SNI Ps ). 3. Balok baja yang diberi selubung beton Walaupun tidak diberi angker, balok baja yang diberi selubung beton di semua permukaannya dianggap bekerja secara komposit dengan beton, selama hal-hal berikut terpenuhi (SNI Ps ) 10

7 a. Tebal minimum selubung beton yang menyelimuti baja tidak kuang daripada 50 mm, kecuali yang disebutkan pada butir ke-2 di bawah. b. Posisi tepi atas balok baja tidak boleh kurang daripada 40 mm di bawah sisi atas pelat beton dan 50 mm di atas sisi bawah plat. c. Selubung beton harus diberi kawat jaring atau baja tulangan dengan jumlah yang memadai untuk menghindari terlepasnya bagian selubung tersebut pada saat balok memikul beban. Di era modern saat ini banyak gedung-gedung dengan struktur komposit baja- beton untuk elemen baloknya menggunakan balok komposit penuh. Balok komposit penuh ini sendiri mempunyai beberapa tipe, diantaranya balok komposit dengan pelat beton yang dicor tempat (solid in situ) balok komposit yang menggunakan precast reinforced concrete planks yang bagian atasnya kemudian dicor tempat, balok komposit yang penghubung gesernya diberi perkuatan, serta balok komposit yang diberi bondek (gambar 2.4) Gambar 2.4 Tipe balok komposit yang diberi bondek 11

8 1. Kekuatan Balok Komposit dengan Penghubung Geser a. Kuat lentur positif rencana φbmn, ditentukan sebagai berikut (LRFD Pasal ) : - untuk h tw 1680 fy dengan φb = 0,85 dan Mn dihitung berdasarkan distribusi tegangan plastis pada penampang komposit. - untuk h tw > 1680 fy dengan φ b = 0,90 dan Mn ditentukan berdasarkan superposisi tegangantegangan elastis yang memperhitungkan pengaruh tumpuan sementara (perancah). b. Kuat Lentur negatif rencana b φ.mn harus dihitung untuk penampang baja saja, dengan mengikuti ketentuanketentuan pada butir 8 (LRFD Pasal ). 2. Lebar efektif pelat lantai - Untuk gelagar interior : be L 4 be bo (untuk jarak balok yang sama) - Untuk gelagar eksterior : be L 8 be bo + (jarak dari pusat balok ke pinggir slab) 12

9 dimana : L = bentang balok bo = bentang antar balok 3. Menghitung momen nominal Perhitungan Mn berdasar distribusi tegangan plastis : Gambar 2.5 Distribusi tegangan plastis (Sumber : Charles G. Salmon, 1995) Menghitung momen nominal ( Mn ) positif a. Menentukan gaya tekan ( C ) pada beton : C = 0,85.f c.tp.beff Menentukan gaya tarik ( T) pada baja : T = As.fy Dipilih nilai yang terkecil dari kedua nilai di atas 13

10 b. Menentukan tinggi blok tekan effektif : As.fy a = 0,85.f c.b eff c. Kekuatan momen nomimal : Mn = C.d1 atau T.d1 Bila kekuatan nominal dinyatakan dalam bentuk gaya baja akan diperoleh : Mn = As. fy ( d 2 + ts a 2 ) Menghitung momen nominal ( Mn ) negatif. a. Menentukan lokasi gaya tarik pada balok baja T = n.ar.fyr Pyc = As.fy Gaya pada sayap ; Pf = bf.tf. fy Gaya pada badan ; Pw = Pyc T 2 aw = Pw tw. fy b. Menghitung jarak ke centroid d1 = hr + tb c pf d 2 = (Pf.0,5.tf)+(Pw(tf+0,5.a web)) Pf+Pw d3 = d 2 c. Menghitung momen ultimate : Mn = T(d1 + d2) + Pyc(d3 - d2) 14

11 Gambar 2.6 Metode transformasi luasan Perhitungan Mn berdasar distribusi tegangan elastis : a. Menghitung nilai transformasi beton ke baja Ec = fc' Mpa... untuk beton normal. Es = Mpa N = Es Ec Btr = b eff n Atr = btr. ts b. Menentukan letak garis netral penampang transformasi (dimomen ke ambang atas) c. Menghitung momen inersia penampang transformasi 15

12 d. Menghitung modulus penampang transformasi yc = GNE yt = d + ts + hr GNE e. Menghitung momen ultimate Kapasitas momen positif penampang balok komposit penuh digunakan dari nilai yang terkecil dari : Mn1 = 0,85. fc. n. Str.c Mn2 = fy. Str.t Jadi : Mu. Mn 4. Penghubung Geser Kekuatan penghubung geser jenis paku (LRFD Pasal ) Dimana : rs untuk balok tegak lurus balok rs untuk balok sejajar balok : Nr = jumlah stud setiap gelombang Hs = tinggi stud Hr = tinggi bondek Wr = lebar effektif bondek Asc = Luas penampang shear connector fu = Tegangan putus penghubung paku/stud 16

13 Qn = Kuat nominal geser untuk penghubung geser Jumlah penghubung geser (shear connector) yang yang dibutuhkan yaitu : 5. Kontrol lendutan (Deflection) Batasan lendutan atau deflection pada biaya telah diatur didalam SNI Lendutan diperhitungkan berdasarkan hal-hal sebagai berikut : Lendutan yang besar dapat menyebabkan rusaknya barang-barang atau peralatan yang didukung oleh balok tersebut. Penampilan dari suatu struktur akan berkurang nilai estetikanya apabila lendutannya terlalu besar. Lendutan yang terlalu besar akan menimbulkan rasa tidak nyaman bagi penghuni bangunan. Perhitungan lendutan pada balok berdasarkan beban kerja yang dipakai di dalam perhitungan struktur, bukan berdasarkan beban berfaktor. Besar lendutan dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut : untuk beban terbagi merata untuk beban terpusat di tengah bentang E. Kolom Komposit Kolom komposit tumbuh menjadi bagian penting dalam pengaplikasian konstruksi komposit yang telah secara luas digunakan dalam beberapa tahun terakhir ini, terutama pada bangunan bertingkat. Awal mula pengembangan elemen kolom komposit yaitu dari profil baja berpenampang I yang dibungkus oleh beton yang tujuan utamanya sebagai pelindung dari api. Ada beberapa tipe 17

14 dari kolom komposit yang sebagian besar digolongkan ke dalam encased steel sections (profil baja yang dibungkus beton) dan concrete-filled steel sections (kolom baja berintikan beton). Untuk tipe encased steel, profil baja berpenampang I yang dibungkus oleh beton (gambar 2.7) paling sering dijumpai.(loh Guan Hock and Fan Sau Cheong,2004) Gambar 2.7 Penampang kolom komposit Pada kolom baja berselubung beton (gambar 2.7 a dan b) penambahan beton dapat menunda terjadinya kegagalan lokal buckling pada profil baja serta berfungsi sebagai material penahan api, sementara itu material baja disini berfungsi sebagai penahan beban yang terjadi setelah beton gagal. Sedangkan untuk kolom baja berintikan beton (gambar 2.7 c dan d) kehadiran material baja dapat meningkatkan kekuatan dari beton serta beton dapat menghalangi terjadinya lokal buckling pada baja. Kolom komposit didefinisikan sebagai kolom baja yang dibuat dari potongan baja giling (rolled) built-up dan di cor di dalam beton struktural atau 18

15 terbuat dari tabung atau pipa baja dan diisi dengan beton struktural (Salmon & Johnson, 1995). Ada dua tipe kolom komposit, yaitu : Kolom komposit yang terbuat dari profil baja yang diberi selubung beton di sekelilingnya (kolom baja berselubung beton). Kolom komposit terbuat dari penampang baja berongga (kolom baja berintikan beton). Kriteria untuk kolom komposit bagi komponen struktur tekan (SNI Ps ) : Luas penampang profil baja minimal sebesar 4% dari luas penampang komposit total. a. Selubung beton untuk penampang komposit yang berintikan baja harus diberi tulangan baja longitudinal dan tulangan pengekang lateral. b. Tulangan baja longitudinal harus menerus pada lantai struktur portal, kecuali untuk tulangan longitudinal yang hanya berfungsi memberi kekangan pada beton. c. Jarak antar pengikat lateral tidak boleh melebihi 2/3 dari dimensi terkecil penampang kolom komposit. Luas minimum penampang tulangan transversal (atau longitudinal) terpasang. Tebal bersih selimut beton dari tepi terluar tulangan longitudinal dan transversal minimal sebesar 40 mm; d. Mutu beton yang digunakan tidak lebih 55 Mpa dan tidak kurang dari 21 Mpa untuk beton normal dan tidak kurang dari 28 Mpa untuk beton ringan. 19

16 e. Tegangan leleh profil dan tulangan baja yang digunakan untuk perhitungan kekuatan kolom komposit tidak boleh lebih dari 380 Mpa Tebal minimum dinding pipa baja atau penampang baja berongga yang diisi beton adalah b fy/3e untuk setiap sisi selebar b pada penampang persegi dan D fy/8e Untuk penampang bulat yang mempunyai diameter luar D. 1. Kuat rencana kolom komposit (SNI Ps ) Kuat rencana kolom komposit yang menumpu beban aksial adalah øc Nn dengan øc = 0,85 Nn = As fcr dan fcr = fmy ω untuk λr 0,25 maka ω = 1 untuk 0,25 λr 1,2 maka untuk λr 0,25 maka ω =1,25λc 2 dengan, Keterangan : As adalah luas penampang beton, mm2 Ar adalah luas penampang tulangan longitudinal, mm2 E adalah modulus elastis baja, MPa Ec adalah modulus elastisitas beton, MPa Em adalah modulus elastisitas untuk perhitungan kolom komposit, MPa fcr adalah tegangan tekan kritis, MPa 20

17 fy adalah tegangan leleh untuk perhitungan kolom komposit, MPa fy adalah tegangan leleh profil baja, MPa fc adalah kuat tekan karakteristik beton, MPa kc adalah faktor panjang efektif kolom Nn adalah kuat aksial nominal, N rm adalah jari-jari girasi kolom komposit, mm λc adalah parameter kelangsingan øc adalah faktor reduksibeban aksial tekan ω adalah faktor tekuk Pada persamaan di atas, c1, c2,dan c3 adalah koefisien yang besarnya a. Untuk pipa baja yang diisi beton : c1 = 1, c2 = 0,85, c3 = 0,4 b. Untuk profil baja yang diberi selubung beton : c1 = 1, c2 = 0,85, c3 = 0,4 Kekuatan rencana kolom komposit yang menahan beban kombinasi aksial dan lentur (LRFD Pasal ). dimana : Nu = Gaya aksial (tarik atau tekan) terfaktor, N Nn = Kuat nominal penampang, N = Faktor reduksi kekuatan c = 0,85 (struktur tekan) b = 0,90 (struktur lentur) Mnx, Mny = Momen lentur nominal penampang komponen struktur masing-masing terhadap sumbu x dan sumbu y, N.mm 21

18 Mux, Muy = Momen lentur terfaktor masing-masing terhadap sumbu x dan sumbu y, N.mm F. Sambungan Sambungan terdiri dari komponen sambungan (pelat pengisi, pelat buhul, pelat pendukung, dan pelat penyambung) dan alat pengencang (baut dan las). 1. Klasifikasi sambungan : a. Sambungan kaku / Rigid connection adalah sambungan yang dianggap memiliki kekakuan yang cukup untuk mempertahankan sudut-sudut di antara komponenkomponen struktur yang akan disambung. b. Sambungan semi kaku / Semi rigid connection adalah sambungan yang tidak memiliki kekakuan yang cukup mempertahankan sudut-sudut diantara komponenkomponen struktur yang disambung, namun harus dianggap memiliki kapasitas yang cukup untuk memberikan kekangan yang dapat diukur terhadap perubahan sudutsudut tersebut. c. Sambungan sendi / Simple connection adalah sambungan yang pada kedua ujung komponen struktur dianggap bebas momen. Sambungan sendi harus dapat berubah bentuk agar memberikan rotasi yang diperlukan pada sanbungan. Sambungan tidak boleh mengakibatkan momen lentur terhadap komponen struktur yang disambung. 22

19 2. Perencanaan Sambungan Kuat rencana setiap komponen tidak boleh kurang dari beban terfaktor yang dihitung. Perencanaan sambungan harus memenuhi persyaratan (SNI Ps ) : a. Gaya dalam yang disalurkan berada dalam keseimbangan dengan gayagaya yang bekerja pada sambungan. b. Deformasi pada sambungan masih berada dalam batas kemampuan deformasi sambungan. c. Sambungan dan komponen yang berdekatan harus mampu memikul gayagaya yang bekerja padanya. 3. Sambungan Baut Kuat geser φrnv = φ.fv.ab.m Kuat tumpu φrnt = φ.(1.8)fy.db.tp Diambil yang terkecil Jumlah baut, n = Kontrol jarak baut : Jarak tepi minimum : 1.5db (LRFD ) Jarak tepi maksimum : (4tp mm) atau 200 mm (LRFD ) Jarak minimum antar baut : 3db (LRFD ) Jarak maksimum antar baut : 15tp atau 200 mm (LRFD ) Kontrol Kekuatan Pelat φpn = fu Anv Vu < φpn 23

20 4. Sambungan Las Ru ϕrnw dengan, φ f.rnw = 0.75 t e (0.6 fuw) (las) φ f.rnw = 0.75 t e (0.6 fu) (bahan dasar) keterangan : fuw : tegangan tarik putus logam las fu : tegangan tarik putus bahan dasar te : tebal efektif las (mm) Tabel 2.1 Ukuran Minimum Las Sudut (Sumber : SNI ) 24