BETON PRATEGANG TKS - 4023 Sesi 1: Konsep Dasar Dr.Eng. Achfas Zacoeb, ST., MT. Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Definisi Definisi beton prategang menurut beberapa peraturan adalah sebagai berikut : Menurut PBI 1971 Beton prategang adalah beton bertulang dimana telah ditimbulkan tegangan-tegangan internal dengan nilai dan pembagian yang sedemikian rupa hingga tegangan-tegangan akibat beton-beton dapat dinetralkan sampai suatu taraf yang diinginkan. 1
Definisi (lanjutan) Menurut Draft Konsensus Pedoman Beton 1998 Beton prategang adalah beton bertulang dimana telah diberikan tegangan dalam untuk mengurangi tegangan tarik potensial dalam beton akibat pemberian beban yang bekerja. Menurut ACI Beton prategang adalah beton yang mengalami tegangan internal dengan besar dan distribusi sedemikian rupa sehingga dapat mengimbangi sampai batas tertentu tegangan yang terjadi akibat beban eksternal. Definisi (lanjutan) Beton prategang juga dapat diartikan secara luas termasuk ke dalam keadaan (kasus) dimana tegangantegangan yang diakibatkan oleh regangan-regangan internal diimbangi sampai batas tertentu, seperti pada konstruksi yang melengkung (busur), tetapi dalam mata kuliah ini pembahasannya hanya dibatasi dengan beton prategang yang memakai tulangan atau kabel baja yang ditarik dan dikenal sebagai tendon. 2
Konsep Dasar Ada tiga konsep yang berbeda-beda yang dapat dipakai untuk menjelaskan dan menganalisis sifat-sifat dasar dari beton prategang : 1. Konsep pertama, sistem prategang untuk mengubah beton menjadi bahan yang elastis. 2. Konsep kedua, sistem prategang untuk kombinasi baja mutu tinggi dengan beton. 3. Konsep ketiga, sistem prategang untuk mencapai perimbangan beban. Konsep pertama, sistem prategang untuk mengubah beton menjadi bahan yang elastis Konsep ini berasal dari Eugene Freyssinet (1926), orang Perancis yang dikenal juga sebagai bapak beton prategang. Pada dasarnya visualisasi beton prategang adalah beton yang ditransformasikan dari bahan yang getas menjadi bahan yang elastis dengan memberikan tekanan (desakan) terlebih dahulu (pratekan) pada bahan tersebut. Dari konsep ini muncul kriteria tidak ada tegangan tarik pada beton. Pada umumnya telah diketahui bahwa jika tidak ada tegangan tarik pada beton, berarti tidak akan terjadi retak, dan beton tidak merupakan bahan yang getas lagi melainkan berubah menjadi bahan yang elastis. 3
Konsep pertama, sistem prategang untuk mengubah beton menjadi bahan yang elastis (lanjutan) Gambar 1. Distribusi tegangan beton prategang sentris Konsep pertama, sistem prategang untuk mengubah beton menjadi bahan yang elastis (lanjutan) Gambar 2. Distribusi tegangan beton prategang eksentris 4
Konsep kedua, sistem prategang untuk kombinasi baja mutu tinggi dengan beton Konsep ini mempertimbangkan beton prategang sebagai kombinasi (gabungan) dari baja dan beton, seperti pada beton bertulang, dimana baja menahan tarikan dan beton menahan tekanan, dengan demikian kedua bahan membentuk kopel penahan untuk melawan momen eksternal (Gambar 3). Konsep kedua, sistem prategang untuk kombinasi baja mutu tinggi dengan beton (lanjutan) Gambar 3. Momen penahan internal pada balok 5
Konsep kedua, sistem prategang untuk kombinasi baja mutu tinggi dengan beton (lanjutan) Pada beton prategang, baja mutu tinggi dipakai dengan jalan menariknya sebelum kekuatannya dimanfaatkan sepenuhnya. Jika baja mutu tinggi ditanam pada beton, seperti pada beton bertulang biasa, beton disekitarnya akan menjadi retak berat sebelum seluruh kekuatan baja digunakan (Gambar 4). Dengan menarik dan menjangkarkan ke beton dihasilkan tegangan dan regangan yang diinginkan pada kedua bahan, tegangan dan regangan tekan pada beton serta tegangan dan regangan pada baja. Konsep kedua, sistem prategang untuk kombinasi baja mutu tinggi dengan beton (lanjutan) Gambar 4. Balok beton menggunakan baja mutu tinggi 6
Konsep ketiga, sistem prategang untuk mencapai keseimbangan beban Konsep ini menggunakan sistem prategang untuk mencapai keseimbangan beban, terutama menggunakan prategang sebagai suatu usaha untuk membuat seimbang gaya-gaya pada sebuah batang (Gambar 5 dan Gambar 6). Penerapan dari konsep ini menganggap beton diambil sebagai benda bebas dan menggantikan tendon dengan gaya-gaya yang bekerja pada beton sepanjang beton. Konsep ketiga, sistem prategang untuk mencapai perimbangan beban (lanjutan) Gambar 5. Balok prategang dengan tendon parabola 7
Konsep ketiga, sistem prategang untuk mencapai perimbangan beban (lanjutan) Gambar 6. Balok prategang dengan tendon membengkok Perkembangan Penggunaan Sistem Prategang Prinsip dasar sistem prategang mungkin telah dipakai pada konstruksi berabad-abad yang lalu, pada waktu tali atau pita logam diikatkan mengelilingi papan kayu yang melengkung, yang membentuk sebuah tong (Gambar 7). Pada penerapan ini, pita dan kayu dalam keadaan tertegang sebelum dibebani tekanan cairan dari dalam. Penerapan lain dari sistem prategang dalam kehidupan sehari-hari misalnya pada waktu mengangkut bata dan jari-jari pada roda sepeda seperti pada Gambar 8. 8
Perkembangan Penggunaan Sistem Prategang (lanjutan) Gambar 7. Distribusi tegangan beton prategang sentris Perkembangan Penggunaan Sistem Prategang (lanjutan) a. Saat mengangkut bata b. Jari-jari roda sepeda Gambar 8. Prinsip sistem prategang dalam kehidupan sehari-hari 9
Perkembangan Penggunaan Sistem Prategang (lanjutan) Sebelum beton prategang berkembang, ada dua perkembangan penting yaitu penemuan semen Portland oleh Aspdin, J., (England, 1824) dan pengenalan baja tulangan pada beton oleh Monier, J., (France, 1857). Perkembangan ini juga merupakan bagian dari sejarah perkembangan beton prategang seperti berikut : 1886 : Jackson, P.H., (USA) memperkenalkan konsep pengekangan pita baja pada struktur busur beton dan batu buatan (artificial stone and concrete arches). 1888 : Doehring, C.E.W., (Germany) membuat pelat beton dan balok kecil dengan melekatkan tulangan baja yang ditarik (embedded tensioned steel). Perkembangan Penggunaan Sistem Prategang (lanjutan) 1908 : Stainer, C.R., (USA) menemukan adanya kehilangan prategang akibat rangkak dan susut serta menyarankan adanya pengekangan kembali untuk mengembalikan kehilangan tersebut. 1923 : Emperger, F., (Austria) mengembangkan metode prategang dengan lilitan kabel baja mutu tinggi disekeliling pipa beton. 1924 : Hewett, W.H., (USA) memperkenalkan penggunaan prategang secara melingkar horisontal pada sekeliling dinding tangki beton 10
Perkembangan Penggunaan Sistem Prategang (lanjutan) 1925 : Drill, R.H., (USA) menggunakan batang baja tanpa lekatan mutu tinggi (high strength unbonded steel rods), dimana batang tersebut ditarik dan diangkur setelah beton mengeras. 1926 : Freyssinet, E., (France) menggunakan baja mutu tinggi (kekuatan ultimit = 1725 MPa dan tegangan leleh > 1240 MPa), pada tahun 1939 mengembangkan penjepit berbentuk kerucut (conical wedges) untuk angker ujung dan dongkrak aksi ganda (double acting jack). Perkembangan Penggunaan Sistem Prategang (lanjutan) 1938 : Hoyer, E., (Germany) mengembangkan metode prategang untuk sistem garis panjang (long line). 1940 : Magnel, G., (Belgium) mengembangkan sistem anker untuk pasca tarik dengan penjepit berbentuk datar (flat wedges). Selama PD II, aplikasi beton prategang dan pracetak meningkat sangat cepat. Beberapa nama turut terlibat dalam pengembang beton prategang, antara lain Guyon, Y., (France) membangun banyak jembatan beton prategang, Abeles, P.W., (England) memperkenalkan konsep prategang parsial dan nama lain yang cukup terkenal seoerti Leonhardt, F., (Germany), Mikhailor, V., (Russia) dan Lin, T.Y., (USA). 11
Perkembangan Penggunaan Sistem Prategang (lanjutan) Organisasi profesional internasional terbentuk pada tahun 1952 di Eropa dengan nama the International Federation for Prestressing (FIP). Organisasi beton prategang dan pracetak terbentuk pada tahun 1954 di USA dengan nama the Precast/Prestressed Concrete Institue (PCI). Keuntungan dan Kerugian Beton Prategang Keuntungan Terhindarnya retak terbuka di daerah beton tarik, jadi lebih tahan terhadap korosif. Penampang struktur lebih kecil/langsing, sebab seluruh penampang dipakai secara efektif. Ketahanan geser balok bertambah, yang disebabkan oleh pengaruh pratekan yang mengurangi tegangan tarik utama. 12
Keuntungan dan Kerugian Beton Prategang (lanjutan) Pemakaian kabel yang melengkung, khususnya dalam untuk bentang panjang membantu mengurangi gaya geser yang timbul pada penampang tempat tumpuan. Jumlah berat baja prategang jauh lebih kecil dibandingkan dengan berat baja tulangan biasa (1/5 1/3), sehingga berkurangnya beban mati yang diterima pondasi. Biaya pemeliharaan beton prategang lebih kecil, karena tidak adanya retak-retak pada kondisi beban kerja (terhindar dari bahaya korosi). Keuntungan dan Kerugian Beton Prategang (lanjutan) Kerugian Dituntut kualitas bahan yang lebih tinggi (pemakaian beton dan baja mutu yang lebih tinggi), yang harganya lebih mahal. Dituntut keahlian dan ketelitian yang lebih tinggi. 13
Material Beton Beton berkekuatan tinggi adalah perlu di dalam beton prategang oleh karena materialnya memberikan tahanan yang tinggi dalam tegangan tarik, geser, pengikatan dan dukungan. Dalam daerah angker, yang tegangan-tegangan dukungnya menjadi lebih tinggi, beton berkekuatan tinggi selalu lebih disukai untuk menghindarkan pengangkuran yang khusus, sehingga dapat memperkecil biaya. Material (lanjutan) Pada beton prategang penting untuk mengetahui diagram tegangan-regangan untuk memperkirakan kehilangan gaya prategang dan juga untuk analisis penampang. Untuk lebih memahami sifat-sifat dan karakteristik dari beton mutu tinggi, pembaca hendaknya mempelajari dari peraturan-peraturan tentang beton yang berlaku. 14
Material (lanjutan) Baja Baja mutu tinggi merupakan bahan yang umum untuk menghasilkan gaya prategang dan mensuplai gaya tarik pada beton prategang, khususnya diagram teganganregangannya. Diagram tegangan-regangan baja prategang (mutu tinggi) berbeda dengan baja beton biasa. Pada baja prategang diagram tegangan regangannya tidak tetap, tergantung dari diameter baja dan bentuknya. Sedangkan pada baja biasa, mempunyai diagram tegangan-regangan yang tetap untuk setiap diameter. Metode Pemberian Pratekan Banyak metode pemberian pratekan pada elemen struktur beton, tetapi yang paling luas pemakaiannya adalah dengan menarik baja (tendon) ke arah longitudinal dengan alat penarik. Menegangkan atau menarik tendon tidaklah mudah, sebab mengingat kebutuhan gaya yang cukup besar sampai ratusan ton. Terdapat 2 (dua) prinsip yang berbeda : 1 2 Prategang (Pre-tensioning) Pascategang (Post-tensioning) 15
Metode Pre-tensioning Konstruksi dimana tendon ditegangkan dengan pertolongan alat bantu sebelum beton di cor atau sebelum beton mengeras dan gaya prategang dipertahankan sampai beton cukup keras (dalam hal ini beton melekat pada baja prategang). Setelah beton mencapai kekuatan yang diperlukannya, tegangan pada jangkar dilepas perlahan-lahan dan baja akan mentransfer tegangannya ke beton melalui panjang transmisi baja, yang tergantung pada kondisi permukaan, profil dan diameter baja dan mutu beton. Metode Pre-tensioning (lanjut) Gambar 8. Sistem pre-tensioning 16
Metode Post-tensioning Konstruksi dimana setelah betonnya cukup keras, barulah bajanya yang tidak terekat pada beton diberi tegangan. Pada sistem Post-tensioning, beton di cor dahulu dan dibiarkan mengeras sebelum di beri gaya pratekan. Baja dapat ditempatkan seperti profil yang ditentukan, lalu beton di cor, lekatan dihindarkan dengan menyelubungi baja (yaitu dengan membuat selubung/sheat). Bila kekuatan beton yang diperlukan telah tercapai, maka baja ditegangkan di ujungujungnya dan dijangkar. Gaya pratekan ditransfer ke beton melalui jangkar pada saat baja ditegangkan, jadi dengan demikian beton ditekan. Metode Post-tensioning (lanjut) Gambar 9. Sistem post-tensioning 17
Penjangkaran Ujung (End Anchorage) Pada dasarnya ada 3 (tiga) prinsip tendon dengan mana baja atau strand (untaian kawat) di angkurkan ke beton : 1. Dengan prinsip kerja pasak yang menghasilkan penjepit gesek pada tendon (Gambar 10.a.). 2. Dengan perletakan langsung dari kepala paku keling atau baut yang dibuat pada ujung tendon (Gambar 10.b.). 3. Dengan membelitkan tendon ke sekeliling beton (Gambar 10.c.). Penjangkaran Ujung (End Anchorage) (lanjut) a. Sistem pasak b. Sistem baut c. Angker mati Gambar 10. Sistem angker (anchorage) 18
Terima kasih atas perhatian dan sukses buat studinya! 19