STUDI KEKUATAN GESER HUBUNGAN PELAT DAN KOLOM (SLAB- COLUMN JOINT) PADA BANGUNAN TINGGI AKIBAT BEBAN SEISMIK Rama Alpha Yuri Margareta dan Sjahril A. Rahim 1 Departemen Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok, 16424, Indonesia Email: rama.margareta@yahoo.com ABSTRAK Salah satu sistem struktur yang mulai banyak digunakan pada bangunan tinggi adalah sistem flat slab. Penggunaan sistem flat slab pada bangunan semakin meningkat karena memiliki keuntungan terhadap kinerja struktur dan kemudahan dalam proses konstruksinya. Akan tetapi, sistem flat slab sangat rentan terhadap keruntuhan geser pons karena adanya konsentrasi tegangan geser yang tinggi di sekitar kolom. Oleh karena itu, dalam penelitian ini akan dilakukan peninjauan terhadap kekuatan geser pada hubungan pelat dan kolom akibat beban gempa dengan pemberian gaya prategang pada pelat yang akan dianalisis secara 3 dimensi. Studi dilakukan dengan variasi bangunan tingkat rendah dan variasi bangunan tingkat tinggi. Hasil dan analisis penelitian menunjukkan bahwa kekuatan geser pada hubungan pelat dan kolom akibat pembebanan gempa dapat terpenuhi tanpa penulangan geser apabila simpangan antar lantainya dapat dibatasi. Pemberian gaya prategang sangat berpengaruh dalam meningkatkan kekuatan geser pada hubungan pelat dan kolom. Selain itu, sistem flat slab ini hanya mampu memberikan kekakuan pada bangunan tingkat rendah saja sedangkan pada bangunan tingkat tinggi dibutuhkan shearwall untuk membatasi simpangan antar lantai. Kata kunci : Flat Slab, keruntuhan geser pons, hubungan pelat dan kolom, gaya prategang, simpangan antar lantai, shearwall ABSTRACT One of the structural system widely used on high rise building is flat slab system. The use of flat slab system in buildings is increasing because the advantages of structure performance and ease in the construction process. However, flat slab system is very susceptible to punching shear failure due to high concentration of shear stress around the column. Therefore, in this research will be conducted a review of the shear strength of slab column joint due to earthquake load by giving prestressing force on the slab that will be analyzed in 3 dimensions. This studies are conducted with variation of low rise building and high rise building. The results and analysis show that the shear strength of slab-column joint due to earthquake load can be fulfilled without shear reinforcement if drift ratio of the building can be limited. Provision of prestressing force is very influential in increasing the shear strength of slab-column joint. In addition, flat slab system is only able to provide adequate stiffness in low rise building while on high rise building needed shearwall to limit the drift. Key words : Flat slab, punching shear failure, slab-column joint, prestressing force, drift, shearwall Studi kekuatan..., Rama Alpha Yuri Margareta, FT UI, 213
PENDAHULUAN Pada umumnya, sistem slab-column tidak cukup memenuhi sebagai suatu sistem penahan gaya gempa dari suatu bangunan yang dirancang terhadap gaya gempa berskala tinggi karena adanya permasalahan yang berhubungan dengan simpangan lateral yang berlebihan serta kapasitas transfer momen dan geser yang tidak cukup. Pada daerah gempa berskala tinggi, portal slab-column umum digunakan sebagai sistem penahan gaya gravitasi sedangkan pada daerah gempa berskala rendah, portal slab-column umum digunakan sebagai sistem penahan gaya lateral. Flat slab memiliki kemungkinan memunculkan masalah dalam transfer geser disekeliling kolom. Keruntuhan pada struktur flat slab dimulai dari adanya keruntuhan geser pons. Seluruh gaya reaksi pada kolom harus didistribusikan dalam bentuk gaya geser ke daerah pelat di sekitar pertemuan pelat dan kolom. Keruntuhan geser pons ini merupakan hal yang sangat penting untuk diperhatikan terutama pada struktur flat slab. Oleh karena itu, studi ini dilakukan untuk meninjau dan menganalisa kekuatan geser pada hubungan antara pelat dan kolom (slab-column joint) apabila terjadi gempa serta melihat pengaruh prestressed terhadap kekuatan geser hubungan pelat dan kolom tersebut pada suatu struktur flat slab sehingga diharapkan nantinya dapat dirancang sebuah bangunan yang aman, kuat, dan stabil dalam menahan beban gempa. TINJAUAN TEORITIS Flat Slab Flat slab merupakan suatu sistem dimana kolom secara langsung menyokong pelat tanpa adanya balok. Flat slab diperkuat dalam dua arah (two-way slab) sehingga dapat meneruskan bebannya langsung ke kolom-kolom yang mendukungnya. Pada sistem flat slab biasanya terdapat penebalan (drop panel) yang berfungsi untuk menahan gaya geser dan momen bending negatif serta memperkaku pelat dan mengurangi lendutan. Gambar 1. Flat Slab Sumber: McGraw-Hill, Steel, Concrete & Composite Design of Tall Buildings (2nd ed) Studi kekuatan..., Rama Alpha Yuri Margareta, FT UI, 213
Beton Prategang (Prestressed Concrete) Pemberian gaya pratekan (prestressed force) bertujuan agar timbul tegangantegangan awal yang berlawanan dengan tegangan-tegangan yang ditimbulkan oleh bebanbeban kerja sehingga dapat memikul beban yang lebih besar tanpa mengubah mutu betonnya. Perbedaan utama antara beton prategang dengan beton bertulang adalah penulangan baja pada beton prategang aktif sedangkan pada beton bertulang penulangannya pasif. Tidak seperti beton bertulang, beton prategang mengalami beberapa tahap pembebanan yaitu tahap transfer dimana hanya beban mati struktur yang bekerja dan tahap service dimana beban mati dan beban hidup sudah bekerja pada struktur serta setelah semua kehilangan gaya prategang (losses) dipertimbangkan. Prestressed Flat Slab Konsep dari beban ekivalen sangat penting dalam merancang flat slab yang mana kombinasi momen primer dan sekunder ditentukan berdasarkan beban-beban ekivalen dari tendon. Pendekatan load-balancing sangat penting untuk perancangan yang mana beban ekivalen ke atas dari gaya prestressing dilawan dengan beban ke bawah yang dikenakan ke pelat. Gambar 2. Konsep Load Balancing dengan Tendon Parabolic Sumber: T.Y.Lin, Desain of Prestressed Concrete Structure Pengaruh dari tendon sangat penting terhadap perilaku flat slab karena tendon akan memberikan beban serta menyediakan penguatan. Tendon memberikan beban vertikal ekivalen pada pelat yang dikenal sebagai beban ekivalen (equivalent loads). Partial prestressing merupakan salah satu pendekatan dalam perancangan dan konstruksi pada flat slab yang menggabungkan penulangan prestressed (tendon) dengan penulangan nonprestressed yang mana tegangan tarik dan keretakan pada beton akibat lentur diperbolehkan pada saat beban hidup dan beban mati layan namun kemampuan layan dan persyaratan kekuatan tetap terpenuhi. Studi kekuatan..., Rama Alpha Yuri Margareta, FT UI, 213
Kekuatan Hubungan Pelat dan Kolom Menurut ACI 352.1R-11, hubungan pelat dan kolom harus proporsional untuk kemampuan layan dan kondisi batas ultimate untuk menahan aksi dan perubahan bentuk (deformasi) yang terjadi. Untuk sambungan post-tensioning tanpa penulangan geser, ditentukan dengan rumus sebagai berikut: ( ) Dimana lebih kecil diantara 3,5 dan dan kuat tekan beton dibatasi yaitu 42 MPa untuk perhitungan kekuatan serta nilai sebaiknya tidak diambil lebih besar dari 3,4 MPa pada sambungan post-tensioning tanpa penulangan geser. Hubungan pelat dan kolom juga harus mampu menahan simpangan lateral yang terjadi akibat pembebanan gempa. Nilai maksimum dari perbandingan simpangan (Drift Ratio) yang diizinkan untuk hubungan pelat dan kolom post-tensioning adalah DR =,45,5 VR (untuk ) DR =,15 (untuk,6 ) Dimana VR adalah perbandingan geser gravitasi yang didefinisikan sebagai berikut Nilai dihitung dengan persamaan yang telah dijelaskan sebelumnya dengan Ø =,75. Gaya geser gravitasi terfaktor ditentukan menggunakan kombinasi beban 1,2D + 1,L +,2S. Jika perbandingan simpangan (DR) melebihi batas kapasitas simpangan lateral, penulangan geser harus disediakan. Gambar 3. Grafik vs Sumber: ACI 352.1R-11, Guide For Design of Slab Column Connections in Monolithic Concrete Structures Studi kekuatan..., Rama Alpha Yuri Margareta, FT UI, 213
METODE PENELITIAN Permodelan Struktur Permodelan dilakukan dalam analisa 3 dimensi dengan menggunakan program SAP2. Struktur yang akan ditinjau pada penelitian ini adalah sebuah gedung bertingkat dengan sistem flat slab yang berlokasi di DKI Jakarta menurut ketentuan SNI 3-2847-22 dengan pembebanan gempa berdasarkan SNI 3-1726-21. Berikut ini adalah preliminary design dari struktur bangunan yang akan ditinjau. Tipe bangunan : Gedung Perkantoran Perletakan : Jepit Ukuran kolom : 6 mm x 6 mm Tebal pelat : 25 mm Panjang bentang : 1 m Panjang bangunan : 3 m Lebar bangunan : 2 m Luas lantai : 6 m 2 Tinggi lantai : 4 m Selain itu, pada permodelan struktur tersebut digunakan material berupa beton K35 sebagai beton bertulang untuk kolom, balok tepi, dan shearwall serta beton K5 sebagai beton prategang (prestressed concrete) untuk flat slab. Berikut ini adalah spesifikasi dari material beton tersebut: Tabel 1. Spesifikasi Mutu Beton K35 Sumber: T.Y.Lin, Desain of Prestressed Concrete Structure Jenis tendon baja yang digunakan merupakan gabungan dari 8seven-wire strands dengan diameter 12,7 mm Grade 27 yang memiliki kekuatan ultimate yaitu 186 MPa. Studi kekuatan..., Rama Alpha Yuri Margareta, FT UI, 213
Tabel 2. Properti dari Uncoated Seven-Wire Stress-Relieved Strand Sumber: T.Y.Lin, Desain of Prestressed Concrete Structure Variasi Permodelan A. Variasi Bangunan Tingkat Rendah Pada variasi ini, sistem struktur dari bangunan merupakan sistem penahan gaya gravitasi. Pada variasi bangunan tingkat rendah ini, digunakan balok tepi (frame luar) dengan dimensi 35 mm x 7 mm. Terdapat 3 buah variasi dari bangunan tingkat rendah yaitu sebagai berikut bangunan 4 lantai, bangunan 8 lantai, dan bangunan 12 lantai. Berikut ini adalah denah dari variasi bangunan tingkat rendah: Gambar 4. Denah Bangunan Tingkat Rendah Sumber: Hasil Olahan Penulis Gambar 5. Banguan 4 Lantai Sumber: 3D View Model Dari Program SAP2 Studi kekuatan..., Rama Alpha Yuri Margareta, FT UI, 213
Gambar 6. Banguan 8 Lantai Sumber: 3D View Model Dari Program SAP2 Gambar 7. Banguan 12 Lantai Sumber: 3D View Model Dari Program SAP2 B. Variasi Bangunan Tingkat Tinggi Pada variasi ini, sistem struktur dari bangunan merupakan sistem penahan gaya lateral. Pada variasi bangunan tingkat tinggi ini digunakan shear wall sebagai elemen pendukung beban lateral dengan tebal 4 cm yang diletakkan di kedua sisi luar bangunan Terdapat 3 buah variasi juga dari bangunan tingkat tinggi yaitu bangunan 15 lantai, bangunan 2 lantai, dan bangunan 25 lantai. Berikut ini adalah denah dari variasi bangunan tingkat tinggi: Gambar 8. Denah Bangunan Tingkat Tinggi Sumber: Hasil Olahan Penulis Studi kekuatan..., Rama Alpha Yuri Margareta, FT UI, 213
Gambar 9. Banguan 15 Lantai Sumber: 3D View Model Dari Program SAP2 Gambar 1. Banguan 2 Lantai Sumber: 3D View Model Dari Program SAP2 Gambar 11. Banguan 25 Lantai Sumber: 3D View Model Dari Program SAP2 Studi kekuatan..., Rama Alpha Yuri Margareta, FT UI, 213
Pembebanan Struktur Pembebanan yang digunakan dalam penelitian ini akan dianalisis dengan 2 cara yaitu pembebanan gravitasi, yang terdiri dari pembebanan hidup (Live Load) dan pembebanan mati (Dead Load), serta pembebanan gempa. A. Pembebanan Gravitasi Dead Load : Berat sendiri bangunan Live Load : 1 kn/m 2 untuk area dak atap, 2,5 kn/m 2 untuk area pelat lantai SDL : 1,8 kn/m 2 untuk area dak atap, 2,5 kn/m 2 untuk area pelat lantai, 2,5 kn/m 2 untuk beban dinding B. Pembebanan Gempa Bangunan yang akan diteliti diasumsikan berada di DKI Jakarta, dengan kondisi wilayah dan bangunan sebagai berikut: Jenis Tanah : Tanah Lunak (Kelas situs: SE) Analisis Gempa : Response Spektrum (CQC) Kategori Risiko : II Faktor Keutamaan Gempa (Ie) : 1 Koef. Respons (R) : 5 (Rangka Beton Bertulang Pemikul Momen Menengah) dan 5(Dinding Geser Beton Bertulang Biasa) Grafik respon spektrum desain yang digunakan dalam penelitian adalah sebagai berikut: Respon Spektrum Desain Percepatan Respon Spectra, Sa (g),8,6,4,2,511,522,533,544,555,566,577,5 Respon Spektrum Desain Periode, T (detik) Gambar 12. Desain Respon Spektrum Wilayah Jakarta Tanah Lunak Sumber: Hasil Olahan Penulis Studi kekuatan..., Rama Alpha Yuri Margareta, FT UI, 213
Berikut ini adalah kombinasi pembebanan ultimate yang akan digunakan: a. 1,4 DL + 1, M S b. 1,2 DL + 1, LL + 1, M S c. 1,2 DL + 1,6LL + 1, M S d. 1,2 DL +,151675 DL +,5 LL ± 1,3E + 1, M S e.,9 DL -,151675 DL ± 1,3E + 1, M S Tahapan Permodelan Struktur yang akan dimodelkan dalam penelitian ini adalah prestressed flat slab dimana sistem flat slab dimodelkan sebagai shell karena pelat diasumsikan dapat menahan geser dan bending akibat pembebanan struktur dengan tebal,25 m sedangkan kolom dimodelkan sebagai frame element dengan dimensi,6 x,6 m dan faktor reduksi momen inersianya sebesar,7. Dalam penelitian ini, tendon dimodelkan sebagai beban yaitu beban prestress dengan post-tensioning system. Selain itu, kehilangan prategang (loss of prestressing) yang terdiri dari dari elastic shortening, creep (rangkak), shrinkage (susut), dan steel Relaxation (RE) juga diperhitungkan secara manual sebagi input dalam permodelan tendon di SAP2 HASIL PENELITIAN Gambar 13. Permodelan distribusi Tendon Sumber: Program SAP2 A. Variasi Bangunan Tingkat Rendah Kekuatan hubungan pelat dan kolom pada variasi bangunan tingkat rendah sudah cukup baik dalam menahan beban gempa tanpa penulangan geser. Akan tetapi, masih perlu dilakukan modifikasi terhadap rancangan awal spesifikasi struktur (preliminary design) untuk mengantisipasi simpangan antar lantai yang berlebihan dengan memperbesar dimensi dari penampang kolom dan menggunakan shearwall. Berikut ini adalah hasil modifikasi yang dilakukan terhadap ketiga jenis bangunan tingkat rendah. Studi kekuatan..., Rama Alpha Yuri Margareta, FT UI, 213
Lantai 4 3 2 1 Modifikasi Drift Bangunan 4 Lantai,1 Drift (m) Drift x Drift y Batas drift ultimate at Punching Modifikasi Interior Column Bangunan 4 Lantai,6,4,2,2,4,6,8 1 at Punching Modifikasi Edge Column Bangunan 4 Lantai,6,4,2,2,4,6,8 1 at Punching Modifikasi Corner Column Bangunan 4 Lantai,6,4,2,2,4,6,8 1 Gambar 14. Grafik Hasil Modifikasi Drift dan Bangunan 4 Lantai Lantai Modifikasi Drift Bangunan 8 Lantai 8 7 6 Drift x 5 4 3 2 Drift y 1,5,1 Batas Drift Drift (m) Ultimate at Punching Modifikasi Interior Column Bangunan 8 Lantai,6,4,2,2,4,6,8 1 at Punching Modifikasi Edge Column Bangunan 8 Lantai,5,4,3,2,1,2,4,6,8 1 at Punching Modifiaksi Corner Column Bangunan 8 Lantai,5,4,3,2,1,1,2,3,4,5,6,7,8,91 Gambar 15. Grafik Hasil Modifikasi Drift dan Bangunan 8 Lantai Studi kekuatan..., Rama Alpha Yuri Margareta, FT UI, 213
Lantai 12 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Modifikasi Drift Bangunan 12 Lantai,5,1 Drift (m) Drift x Drift y Batas Drift Ultimate at Punching Modifikasi Interior Column Bangunan 12 Lantai,5,4,3,2,1,2,4,6,8 1 at Punching Modifikasi Edge Column Bangunan 12 Lantai,5,4,3,2,1,2,4,6,8 1 at Punching Modifikasi Corner Column Bangunan 12 Lantai,5,4,3,2,1,2,4,6,8 1 Gambar 16. Grafik Hasil Modifikasi Drift dan Bangunan 12 Lantai Berdasarkan grafik-grafik tersebut dapat dilihat bahwa setelah dilakukan modifikasi pada ketiga jenis bangunan tingkat rendah, simpangan antar lantai (drift) yang terjadi akibat pembebanan gempa ultimate tidak melebihi batas drift ultimate sesuai dengan SNI 3-1726- 21 yaitu sebesar,615 m. Selain itu, drift rationya pun berada di bawah drift ratio limit untuk sambungan post-tensioning sehingga tidak diperlukan penulangan geser pada hubungan pelat dan kolom. B. Variasi Bangunan Tingkat Tinggi Kekuatan hubungan pelat dan kolom pada ketiga jenis bangunan tingkat tinggi tidak perlu menggunakan penulangan geser dalam menahan beban gempa dikarenakan kekuatan geser, kekuatan lentur, tegangan geser maksimum, serta rasio simpangan antar lantainya tidak melebihi batasan yang telah ditentukan sehingga pada variasi bangunan tingkat tinggi ini tidak dilakukan modifikasi. Berikut ini adalah hasil pengolahan data dari ketiga jenis bangunan tingkat tinggi. Studi kekuatan..., Rama Alpha Yuri Margareta, FT UI, 213
Lantai 1 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Drift Bangunan 15 Lantai,5,1 Drift (m) Drift x Drift y Batas Drift Ultimate at Punching,6,4,2 Interior Column Bangunan 15 Lantai,2,4,6,8 1 Edge Column Bangunan 15 Lantai Corner Column Bangunan 15 Lantai at Punching,6,4,2,2,4,6,8 1 at Punching,6,4,2,2,4,6,8 1 Gambar 17. Grafik Drift dan Bangunan 15 Lantai Lantai 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 123456789 Drift Bangunan 2 Lantai,5,1 Drift (m) Drift x Drift y Batas Drift Ultimate at Punching,6,4,2 Interior Column Bangunan 2 Lantai,2,4,6,8 1 Edge Column Bangunan 2 Lantai Corner Column Bangunan 2 Lantai at Punching,6,4,2,1,2,3,4,5,6,7,8,91 at Punching,6,4,2,1,2,3,4,5,6,7,8,91 Gambar 18. Grafik Drift dan Bangunan 2 Lantai Studi kekuatan..., Rama Alpha Yuri Margareta, FT UI, 213
Lantai 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 21 22 23 24 25 123456789 Drift Bangunan 25 Lantai,5,1 Drift (m) Drift x Drift y Batas Drift Ultimate at Punching,6,4,2 Interior Column Bangunan 25 Lantai,2,4,6,8 1 Edge Column Bangunan 25 Lantai Corner Column Bangunan 25 Lantai at Punching,6,4,2,2,4,6,8 1 Axis Title,6,4,2,2,4,6,8 1 Axis Title Gambar 19. Grafik Drift dan Bangunan 25 Lantai Dari grafik-grafik diatas dapat dilihat bahwa simpangan antar lantai yang terjadi akibat kombinasi pembebanan gempa ultimate pada ketiga variasi bangunan tingkat tinggi tidak melebihi batas drift ultimate yang telah ditentukan. Hal ini menunjukkan bahwa penggunaan shearwall sebagai sistem penahan gaya lateral pada variasi bangunan tingkat tinggi sangat efektif dalam menambah kekakuan sehingga tidak terjadi simpangan lateral yang berlebihan pada bangunan. KESIMPULAN Dari hasil pengolahan data, pembahasan dan analisa pada penelitian ini, menghasilkan kesimpulan sebagai berikut: a. Pada variasi bangunan tingkat rendah perlu dilakukan modifikasi untuk membatasi simpangan antar lantai yang berlebihan yaitu dengan memperbesar dimensi kolom dan menggunakan shearwall sedangkan pada variasi bangunan tingkat tinggi, perancangan sistem dan dimensi dari elemen-elemen strukturnya sudah mencapai kekuatan hubungan pelat dan kolom yang diharapkan dimana drift ratio-nya tidak melebihi drift ratio limit Studi kekuatan..., Rama Alpha Yuri Margareta, FT UI, 213
b. Simpangan antar lantai (drift) pada bangunan tingkat rendah 2 kali lebih besar daripada simpangan antar lantai (drift) pada bangunan tingkat tinggi karena kekakuan pada bangunan tingkat tinggi jauh lebih besar akibat adanya shearwall c. Peningkatan beban gravitasi pada pelat menyebabkan perbandingan gaya geser gravitasi (gravity shear ratio) pada bangunan tingkat tinggi 5 kali lebih besar daripada perbandingan gaya geser gravitasi (gravity shear ratio) pada bangunan tingkat rendah sehingga batasan drift rationya menjadi lebih kecil yaitu,2-,45 d. Kekuatan geser hubungan pelat dan kolom tanpa penulangan geser pada bangunan tingkat rendah dan bangunan tingkat tinggi dapat terpenuhi apabila simpangan antar lantai akibat pembebanan gempa dibatasi SARAN Berdasarkan analisis yang telah dilakukan serta kesimpulan yang telah dicapai, maka dapat disarankan sebagai berikut: a. Perlu dilakukan modifikasi lebih lanjut terhadap spesifikasi struktur pada bangunan tingkat tinggi seperti perancangan dimensi kolom dibuat bervariasi setiap berapa lantai sesuai dengan beban yang bekerja di atasnya agar lebih efisien b. Pada bangunan yang menggunakan sistem flat slab, drop panel atau column capital dapat digunakan untuk lebih meningkatkan kekuatan geser pada hubungan pelat dan kolom KEPUSTAKAAN Kang, Thomas H.-K (26). Interior Post-Tensioned Slab-Column Connections Subjected To Cyclic Lateral Loading, San Francisco: The 8 th U.S. National Conference on Earthquake Engineering S. Taranath, Bungale (1998). Steel, Concrete & Composite Design of Tall Buildings (2nd ed). New York: McGraw-Hill Lin, T.Y. (1981). Design of Prestressed Concrete Structures. United States of America: John Wiley & Sons, Inc American Concrete Institute (212). ACI 352.1R-11: Guide For Design of Slab Column Connections in Monolithic Concrete Structures. United States of America: Joint ACI-ASCE Committee 352 American Concrete Institute (28). ACI-318-8 Code Requirements For Design Of Concrete Floor System. U.S.A: ADAPT Corporation Departemen Pekerjaan Umum (1987). Pedoman Perencanaan Pembebanan untuk Rumah dan Gedung (SKBI- 1.3.53.1987 UDC : 642.42). Jakarta: Yayasan Badan Penerbit PU Standar Nasional Indonesia (21). Tata cara Perencanaan Ketahanan Gempa Untuk Bangunan Gedung (SNI 3-1726-21). Jakarta: Badan Standarisasi Nasional Studi kekuatan..., Rama Alpha Yuri Margareta, FT UI, 213