STUDI PERBANDINGAN PERSYARATAN LUAS TULANGAN PENGEKANG KOLOM PERSEGI PADA BEBERAPA PERATURAN DAN USULAN PENELITIAN (166S) Anang Kristianto 1 dan Iswandi Imran 2 1 Jurusan Teknik Sipil, Universitas Kristen Maranatha, Jl. Drg. Suria Sumantri 65 Bandung Email: anang.kristianto@gmail.com 2 Jurusan Teknik Sipil, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesha 10 Bandung ABSTRAK Salah satu persyaratan penting untuk konstruksi tahan gempa yang terkait dengan pendetailan tulangan adalah pemasangan tulangan pengekang dengan luas tertentu sehingga diharapkan inti beton dapat dikekang dengan baik pada saat mengalami beban aksial tinggi akibat beban gempa. Beberapa peraturan seperti CSA (Canadians Standards Association) serta NZS (Standards Association of New Zealand) memberikan suatu parameter beban aksial yang bekerja sebagai bagian yang mempengaruhi luas tulangan pengekang yang diperlukan, sementara itu peraturan kita SNI yang mengacu kepada ACI tidak memberikan parameter beban aksial sebagai parameter yang mempengaruhi luas tulangan pengekang. Beberapa peneliti seperti Sheikh dan Khoury (1994) dan Saatcioglu dan Razvi (2002) juga telah mengusulkan dimasukkannya parameter beban aksial sebagai parameter penting yang mempengaruhi luas tulangan pengekang kolom yang dibutuhkan. Pada penelitian ini dipaparkan hasil pengujian kolom beton bertulang yang diberikan tulangan pengekang sesuai standar SNI atau ACI. Hasil pengujian dianalisis dengan menggunakan standar peraturan SNI, CSA, NZS serta usulan formula dari beberapa peneliti. Berdasarkan studi perbandingan pada penelitian ini didapatkan bahwa spesimen dengan konfigurasi tulangan standar pada level beban aksial sedang (0,3Po) masih memenuhi standar ACI/SNI, CSA, NZS maupun usulan Saatcioglu dan Razvi untuk desain berbasis kinerja dengan target drift sebesar 3,5%, sementara untuk level beban aksial tinggi (0,5Po) spesimen memerlukan tambahan luas tulangan pengekang. Penelitian ini juga memberikan masukan untuk penyempurnaan SNI lebih lanjut secara khusus untuk masalah luas tulangan pengekang yang dibutuhkan pada kolom yang dibangun pada daerah rawan gempa.. Kata kunci: tulangan, pengekang, kolom, beton bertulang, beban, gempa 1. PENDAHULUAN Sebagian besar wilayah di Indonesia merupakan daerah dengan tingkat resiko bahaya gempa yang tinggi. Berdasarkan peraturan bangunan yang baku, setiap konstruksi bangunan yang akan didirikan di wilayah dengan resiko gempa yang tinggi haruslah dirancang dengan mengikuti kaidah perencanaan bangunan tahan gempa. Hal ini diperlukan untuk menjamin keamanan bangunan dan penghuninya terhadap gempa. Salah satu bagian yang terpenting dalam kaidah perencanaan konstruksi bangunan beton bertulang tahan gempa adalah pemberian detailing penulangan yang memadai pada elemen-elemen struktur yang berpotensi mengalami kerusakan pada saat gempa terjadi. Berdasarkan peraturan SNI 03-2847-02, untuk menjamin perilaku kolom beton bertulang yang daktail dan tahan goncangan gempa, tulangan pengekang kolom haruslah disediakan dengan luas tulangan yang memadai dan dipasang dengan diberi kait gempa di ujungnya. (Kait gempa dalam hal ini didefinisikan sebagai kait dengan sudut bengkok tidak kurang daripada 135 o ). Luas tulangan pengekang kolom persegi untuk bangunan didaerah dengan resiko gempa tinggi sesuai dengan SNI adalah merupakan fungsi dari penampang kolom, spasi tulangan, mutu beton dan mutu tulangan pengekang seperti dalam persamaan berikut : atau (1) (2) Seperti diketahui bahwa kolom adalah elemen struktur yang menahan beban aksial sangat besar, beberapa peneliti melaporkan bahwa daktilitas kolom menurun akibat meningkatnya beban aksial tekan yang bekerja pada kolom. Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013 S - 163
(Sheikh dan Yeh (1990), Razvi dan Saatcioglu (1994)). Paultre dan Legeron (2008) dalam hasil penelitiannya seperti terlihat pada Gambar 1 memperlihatkan daktilitas kurvatur yang semakin menurun pada level beban aksial (k p = P/(A g f c ) yang semakin meningkat. Pengaruh beban aksial tarik terhadap perilaku beton terkekang dilakukan oleh Watanabe et al.(1987) yang menyebutkan bahwa benda uji yang diberikan beban aksial tarik menunjukkan terjadinya penurunan kekuatan meskipun terjadi peningkatan daktilitas bila dibandingkan dengan kolom yang sama tetapi dibebani gaya aksial tekan. Observasi yang sama juga dilakukan oleh Saatcioglu dan Ozcebe (1989) untuk benda uji kolom beton normal yang dibebani berbagai level beban aksial tekan dan tarik. M(kN/m) 1600 500 500 8-25M 1200 40 800 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 k p=0,1 400 0 0 0,05 0,01 0,15 0,20 0,25 φ(rad/m) Gambar 1. Pengaruh beban aksial terhadap daktilitas (Paultre dan Legeron 2008) Dari hasil beberapa penelitian ini dapat disimpulkan bahwa beban aksial merupakan parameter penting yang mempengaruhi luas tulangan pengekang yang dibutuhkan untuk kolom yang dibangun di daerah dengan resiko gempa tinggi.sementara itu peraturan SNI tidak memasukkan beban aksial sebagai parameter yang mempengaruhi luas tulangan pengekang yang dibperlukan. Penelitian ini selain menyajikan studi eksperimental pengaruh beban aksial terhadap luas tulangan pengekang kolom persegi juga memperlihatkan perbandingan persyaratan luas tulangan pengekang berdasarkan standar SNI/ACI, CSA (Canadians Standards Association), NZS (Standards Association of New Zealand) serta usulan persamaan beberapa peneliti. 2. PROGRAM PENGUJIAN AKSIAL DAN LATERAL SIKLIS Benda uji kolom memiliki dimensi penampang 260 mm x 260 mm dengan ketinggian total 2300 mm berjumlah 2 buah. Daerah pengujian setinggi 1500 mm terletak diantara dua ujung kolom yang berbentuk seperti pile cap. Mutu beton 25 Mpa, mutu tulangan longitudinal 424 Mpa, tulangan transversal 414 MPa. Detail penampang benda uji, serta detail penulangan benda uji kolom dapat dilihat pada Gambar 2. Pada spesimen dipasang strain gauge serta LVDT untuk mengetahui besarnya perubahan regangan pada tulangan serta perpindahan yang terjadi pada benda uji untuk posisi-posisi yang telah ditentukan. Sesuai dengan kajian literatur bahwa level beban aksial sangat mempengaruhi peningkatan kekuatan dan daktilitas kolom beton terkekang, untuk itu dalam penelitian ini digunakan dua buah benda uji dengan level beban aksial yang berbeda. Level beban aksial pertama adalah P=0,3P0, level beban ini merepresentasikan level beban aksial yang sedang dan berada pada daerah kegagalan tarik dari diagram interaksi kolom benda uji. Level yang kedua adalah P=0,5P0 yang merupakan kategori level beban aksial yang tinggi. Standar pengujian dilakukan berdasarkan ACI 374.1-05 (Acceptance Criteria for Moment Frames Based on Structural Testing and Commentary). Beban aksial konstan diberikan terlebih dahulu sebesar 584 kn(0,3po) atau 986 kn(0,5po) sesuai dengan level rasio beban aksial. Sementara beban aksial konstan bekerja beban lateral siklis diberikan hingga benda uji mengalami penurunan sebesar 20% terhadap gaya lateral maksimumnya atau terjadi kegagalan pengekangan yang ditandai dengan putusnya tulangan pengekang dilanjutkan dengan tertekuknya tulangan longitudinal. S - 164 Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
Gambar 2. Detail benda uji kolom persegi 3. HASIL PENGUJIAN Gambar 3.(a) memperlihatkan perilaku spesimen dengan kait standar pada level beban aksial 0,3Po. Retak awal terjadi pada saat drift sekitar 0,5% dengan regangan tekan beton tercatat sebesar 0,003359. Beban lateral maksimum dicapai pada 9,13 ton pada drift 0,7%. Hingga drfit 3,5% spesimen memberikan perilaku yang stabil dalam mempertahankan kapasitas beban lateralnya, setelah melewati drift 3,5% mulai terjadi penurunan yang cukup signifikan. Pengujian dihentikan pada siklus ketiga drift 5,2% karena tulangan longitudinal terlihat menekuk dan terjadi penurunan kapasitas lateral melampaui 20% dari beban puncaknya. Gambar 4 memperlihatkan foto spesimen setelah pengujian. (a) (b) Gambar 3.Perilaku spesimen kolom akibat beban siklis. a. Spesimen dengan level beban aksial 0,3Po, b. Spesimen dengan level beban aksial 0,5 Po Kolom spesimen pada level beban aksial 0,5Po memiliki perilaku histerisis yang berbeda dengan spesimen yang mengalami beban aksial 0,3Po (Gambar 3.(b)). Spesimen mengalami retak awal pada drift 0,486% dengan besarnya regangan beton terukur sebesar 0,002859. Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013 S - 165
Gambar 4. Foto spesimen kolom dengan level beban aksial 0,3Po setelah pengujian Sebagai akibat beban aksial yang tinggi terjadi peningkatan kapasitas maksimum beban lateral yang dapat dicapainya, pada spesimen ini beban lateral maksimum sebesar 11,25 tonf terjadi pada drift 1,2%. Meskipun begitu terjadi penurunan kapasitas lateralnya dengan cukup cepat, pada drift sebesar 2,8% telah terjadi penurunan sebesar 20% dari beban lateral puncak. Pengujian untuk spesimen ini dihentikan sebelum mencapai drift 5,2 % akibat putusnya tulangan pengekang pada drift 3,51 %. Putusnya tulangan pengekang ditandai dengan suara yang keras dan terjadi pemendekan arah aksial yang drastis setelah terjadi tekuk yang dalam pada tulangan longitudinalnya ( Gambar 5) Gambar 5. Foto spesimen kolom dengan level beban aksial 0,5Po setelah pengujian 4. PERBANDINGAN HASIL EKSPERIMEN DENGAN PERATURAN Tabel 1 merangkum persamaan luas tulangan pengekang yang dibutuhkan sesuai dengan standar ACI/SNI, CSA (Canadians Standards Association), NZS (Standards Association of New Zealand) serta usulan persamaan beberapa peneliti. S - 166 Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
Tabel 1. Rangkuman persamaan luas tulangan pengekang pada kolom persegi Referensi ACI 318-08 Parameter deformasi - f yh Keterangan 689 MPa A sh /sh c 0,09 f c /f yh CSA A23.3-04 NZS 3101-06 k n = n l /(n l -2) dan k p =P/P o dimana =0,85 μ φ μ φ f yh 500 MPa A sh /sh c 0,09 f c /f yh Berdasarkan usulan Paultre dan Legeron (2008) ρ l m 0,4 (m=f yl /0,85f c ) A g /A ch 1,5 f yh 800 MPa Berdasarkan usulan Watson, Zahn dan Park (1994), dengan μ φ = 20 Saatcioglu & Razvi(2002) δ P 0,2 P 0, [(A g /A ch )-1] 0,3 Kebutuhan drift δ=0,0025 Sheikh & Khoury (1997) μ φ α=faktor efisiensi konfigurasi tulangan pengekang, f c ' 55 MPa:β=29 :γ=1,15 f c > 55 MPa:β=8,12 :γ=0,82 Pada prinsipnya seluruh standar dan usulan dimaksudkan untuk desain struktur di daerah dengan resiko gempa tinggi. Umumnya peraturan dan usulan persamaan dalam Tabel 1 memberikan suatu parameter deformasi sebagai batasan kinerja yang akan dicapai atau sebagai batas kegagalan suatu struktur, hanya ACI/SNI yang tidak memberikan parameter deformasi. Usulan Saatcioglu & Razvi serta Sheikh & Uzumeri dimasukkan dalam kajian karena berturut-turut mewakili parameter perpindahan drift dan daktilitas kurvatur sebagai target kinerja, selain itu kedua usulan tersebut menggunakan batas ultimate sebesar 0.8 dari nilai maksimum yang dapat dicapai spesimen sebagai dasar dalam pembuatan formula usulannya. Gambar 6 memperlihatkan kebutuhan luas tulangan pengekang (Ash) untuk spesimen dengan kait standar berdasarkan peraturan dan juga usulan dari Saatcioglu dan Razvi (2002) untuk berbagai level beban aksial (P/Po). Pada persamaan Saatcioglu dibuat dua kebutuhan tulangan pengekang yaitu untuk target kinerja drift 2,5% dan 3,5%. Bila dibuat dalam grafik hubungan antara level beban aksial dan luas tulangan yang dibutuhkan terlihat bahwa standar ACI/SNI memiliki nilai yang konstan bila dibandingkan dengan standar lain, hal ini terjadi karena ACI/SNI tidak memasukkan level beban aksial yang bekerja sebagai parameter yang mempengaruhi kebutuhan tulangan pengekang. Sementara itu standar CSA, NZS maupun usulan Saatcioglu dan Razvi memasukkan parameter level beban aksial. Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013 S - 167
Gambar 6. Perbandingan kebutuhan tulangan pengekang pada spesimen dengan kait standar berdasarkan peraturan dan usulan persamaan Saatcioglu dan Razvi (2002). Pada level beban aksial di bawah 0,26Po persyaratan minimum yang diberikan ACI/SNI terlihat overestimate dibandingkan dibandingkan standar NZS maupun usulan Saatcioglu dan Razvi. Pada level beban aksial 0,3Po target kinerja drift sebesar 3,5% dapat dicapai oleh spesimen, dimana pada level ini hasil eksperimen menunjukkan drift sebesar 4,4%. Spesimen dengan level beban aksial tinggi (0,5Po) yang didesain dengan A sh =1,5 Ash,ACI terlihat sudah tidak memenuhi persyaratan CSA, maupun target kinerja drift sebesar 3,5% dari usulan Saatcioglu pada level beban aksial tinggi (0,5Po), kondisi ini sesuai dengan hasil eksperimen yang memperlihatkan nilai drift maksimum sebesar 2,8% yang dapat dicapai oleh spesimen ini. Gambar 7. memperlihatkan kebutuhaan tulangan pengekang spesimen dengan menggunakan usulan Sheikh dan Khoury untuk spesimen dengan kait standar. Sheikh dan Khoury menggunakan daktilitas kurvatur sebagai target kinerja dalam menentukan tulangan pengekang yang dibutuhkan. Untuk memperlihatkan tingkat daktilitas yang dapat dicapai oleh spesimen maka diberikan kurva prediksi untuk target daktilitas kurvatur 8 yang mewakili batas antara daktilitas rendah dan menengah, dan target daktilitas kurvatur 16 yang merupakan batas minimum daktilitas tinggi (Sheikh dan Khoury, 1997). Pada level beban aksial yang rendah usulan Sheikh dan Khoury sudah melampaui batas minimum yang diberikan oleh ACI/SNI, hal ini menunjukkan bahwa desain minimum ACI/SNI akan menghasilkan kolom dengan daktilitas rendah. Pada kasus ini spesimen dengan kait standar menurut prediksi usulan Sheikh dan Khoury dapat mencapai daktilitas kurvatur diatas 8 sehingga masuk sebagai kategori daktilitas sedang. Untuk level daktilitas tinggi dengan nilai daktilitas kurvatur 16 spesimen ini membutuhkan tulangan pengekang yang lebih banyak. Hasil eksperimen menunjukkan keakuratan prediksi usulan Sheikh dan Khoury dimana spesimen dengan level beban aksial 0,3Po menghasilkan daktilitas kurvatur minimum sebesar 8,05 sementara spesimen dengan level beban aksial 0,5Po hanya dapat mencapai daktilitas kurvatur sebesar 7,25. Apabila dibandingkan dengan standar CSA spesimen dengan konfigurasi kait standar pada level beban aksial tinggi (0,5Po) membutuhkan luas tulangan pengekang yang lebih banyak sementara untuk standar NZS spesimen ini sudah memenuhi standar. S - 168 Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
Gambar 7. Perbandingan kebutuhan tulangan pengekang pada spesimen dengan kait standar berdasarkan peraturan dan usulan persamaan Sheikh dan Khoury (1994). 5. KESIMPULAN Pada level beban aksial di bawah 0,26Po persyaratan minimum yang diberikan ACI/SNI terlihat overestimate dibandingkan dibandingkan standar NZS maupun usulan Saatcioglu dan Razvi Pada level beban aksial yang rendah usulan Sheikh dan Khoury sudah melampaui batas minimum yang diberikan oleh ACI/SNI, hal ini menunjukkan bahwa desain minimum ACI/SNI akan menghasilkan kolom dengan daktilitas rendah. Spesimen pada level beban aksial sedang (0,3Po) masih memenuhi standar ACI/SNI, CSA, NZS maupun usulan Saatcioglu dan Razvi untuk desain berbasis kinerja dengan target drift sebesar 3,5%, sementara untuk desain berbasis kinerja dengan target daktilitas kurvatur (Sheikh dan Khoury) spesimen tidak memenuhi standar Pada level beban aksial yang tinggi (0,5Po) berdasarkan grafik diatas spesimen memerlukan penambahan luas tulangan pengekang agar dapat mencapai target drift 4,4%. Spesimen membutuhkan penambahan sebesar 31,5% dari luas tulangan pengekang standar. Pada level beban aksial 0,5Po dengan target daktilitas tinggi seluruh spesimen membutuhkan tambahan tulangan pengekang. Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013 S - 169
DAFTAR PUSTAKA ACI Committee 318M-05, Building Code Requirements for Reinforced Concrete and Comentary, (ACI 318M-05 ), American Concrete Institute, Detroit. Canadian Standards Association (2004), Design of Concrete Structures, CSA A23.3-04, Mississauga, ON, Canada, pp 258 Paultre P.; Legeron F.,(2008). Confinement Reinforcement Design for Reinforced Concrete Columns, ASCE Journal of Structural Engineering, Vol 134. No5 May 2008.pp738-749. Razvi S.R and Saatcioglu M.(1994) Strength and Deformability of confined High-Strength Concrete Columns,ACI Structural Journal, V. 91, No. 6, Nov-Dec. 1994, pp. 1-10 Saatcioglu, M.and Ozcebe, G., (1989) Response of Reinforced Concrete Column to Simulated Seismic Loading, ACI Structural Journal, V. 86(1), pp. 3-12. Saatcioglu, M.and Razvi, S.R, (2002) Displacement-Based Design of Reinforced Concrete Columns for Confinement, ACI Structural Journal, V. 99, No. 1, Jan.-Feb. 2002, pp. 3-11. Sheikh S.A dan Khoury S.S.(1997) A Performance Based Approach for the Design of Confining Steel in Tied Columns,ACI Structural Journal, V. 94, No. 4, July-Aug. 1997, pp. 421-431. Sheikh, S. A., and Yeh, C.,(1990). Tied Concrete Columns under Axial Load and Flexure, Journal of Structural Engineering, ASCE, V. 116, No. 10, Oct. 1990, pp. 2780-2800. Watanabe, F.; Muguruma, H.; Matsutani, T.; and Sanda, D.(1987). Utilization of High Strength Concrete for Reinforced Concrete High Rise Buildings in Seismic Area, Utilization of High Strength Concrete Proceeding, Stavanger, Norway, Tapir Publishers, pp 655-666 S - 170 Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013