SEMINAR TUGAS AKHIR STUDI PERBANDINGAN ANALISA KEKUATAN GESER DENGAN MENGGUNAKAN METODE GESER ANALITIS DAN METODE STRUT AND TIE MODEL PADA BALOK TINGGI BETON BERTULANG DAN KOMPOSIT BAJA BETON DISUSUN OLEH : NURUL FAJRIYAH NRP 3108 100 522 DOSEN PEMBIMBING : BUDI SUSWANTO, ST., MT., Ph.D. JURUSAN TEKNIK SIPIL LINTAS JALUR FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN PERENCANAAN INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2011
1. Pendahuluan Geser pada balok tinggi merupakan tinjauan yang utama dalam desainya. Besar dan jarak penulangan geser vertikal dan horisontal sangat berbeda dengan yang dipakai pada balok biasa. Begitu pula persamaan-persamaan yang digunakan dalam desainnya. Pada balok tinggi keruntuhan yang terjadi dominan diakibatkan oleh gaya geser. Gaya geser akan mengakibatkan terjadinya retak miring pada balok, dan setelah retak ini terjadi, mekanisme transfer gaya geser akan disumbangkan oleh aksi pelengkung (arching action). Aksi ini dapat memberikan cadangan kapasitas yang cukup besar pada balok dalam memikul beban.
Lanjutan... Ada beberapa metode yang dapat dipakai untuk menganalisa kuat geser pada balok tinggi beton bertulang baik metode empiris maupun analitis, salah satu metode analitis yang telah diakui cukup rasional adalah metode Strut and Tie Model (STM). Metode STM merupakan pengembangan dari analogi rangka batang. Metode STM dapat digunakan pada daerah-daerah dimana teori balok tidak tepat diterapkan. Daerah-daerah ini sering disebut daerah terganggu (Disturb region/d-region). Dengan metode STM, analisa D-region pada elemen struktur dapat lebih mudah dilakukan dimana keadaan tegangan yang terjadi diidealisasikan sebagai strut dari beton, tie dari baja, dan daerah nodal (Lumantarna, 2002). Dengan adanya aksi dari strut and tie tersebut, pertambahan kekuatan pada struktur balok tinggi beton bertulang dapat terjadi (Nilson dan Winter, 1991).
2. Rumusan Masalah Bagaimana perbandingan hasil analisa terhadap balok tinggi beton bertulang dan analisa balok tinggi Steel Reinforced Concrete (SRC) dengan metode Geser Analitis dan Strut and Tie Model sesuai persyaratan pada ACI 318M 02. Bagaimana menganalisa penampang balok tinggi dengan program XTRACT versi 2.6.2 dan analisa 3D solid dengan program Abaqus versi 6.7. Bagaimana Perbandingan hasil analisa Balok Tinggi beton bertulang dengan Metode Geser Analitis dan Metode Strut and Tie Model dengan hasil eksperimental.
4. Tujuan Melakukan analisa terhadap balok tinggi beton bertulang dan balok tinggi Steel Reinforced Concrete (SRC) dengan metode Geser Analitis dan Strut and Tie Model. Mengetahui kapasitas lentur dan geser pada balok tinggi RC dan SRC. Menganalisa penampang balok tinggi dengan program XTRACT versi 2.6.2 dan analisa 3D solid dengan program Abaqus versi 6.7
3. Batasan Masalah v Analisa penampang balok tinggi RC dan SRC dengan menggunakan metode Geser Analitis, sesuai acuan ACI 318M 05. v Metode yang digunakan dalam menganalisa adalah Metode Geser Analitis dan Metode Strut and Tie Model. v Program yang digunakan untuk analisa penampang balok tinggi adala program XTRACT versi 2.6.2 dan analisa 3D solid dengan program Abaqus versi 6.7.
5. Manfaat Sebagai bahan masukan bagi dunia perkonstruksian khususnya pada bangunan beton bertulang yang menggunakan struktur balok tinggi. Sebagai bahan pertimbangan jenis balok yang akan digunakan dalam mendesain konstruksi bangunan beton bertulang.
6. Tinjauan Pustaka 6.1 Umum Balok Tinggi Beton Bertulang Menurut ACI Committee 318, balok tinggi didefinisikan sebagai komponen struktur dengan beban bekerja pada salah satu sisi dan perletakan pada sisi lainnya sehingga strut tekan dapat terbentuk diantara beban dan perletakan. Balok tinggi juga didefinisikan sebagai balok dengan bentang bersih l n tidak lebih empat kali tinggi balok (h) untuk pembebanan merata atau dua kali tinggi efektif balok (2d) dari muka perletakan untuk balok dengan pembebanan terpusat. Balok tinggi biasanya digunakan sebagai balok transfer (transfer girder) baik hanya satu bentang maupun balok menerus. Pada transfer girder, beban dari sebuah kolom atau lebih disalurkan secara horisontal menuju kolom lainnya. Balok tinggi juga ditemui pada dinding struktur berpasangan (coupling structural wall) dan kepala pondasi tiang pancang (pile cap).
Perilaku dari balok tinggi dijelaskan dalam hal pola retak, respon beban terhadap defleksi, tegangan tarik di dalam beton dan baja tulangannya, kegagalan beban dan pola kegagalan. 6.2 Kriteria Desain Terhadap Geser untuk Balok Tinggi Dari diskusi pada pembahasan sebelumnya, dapat disimpulkan bahwa balok tinggi (a/d < 2,5 dan l n /d < 5,0) mempunyai tahanan geser V c yang lebih tinggi dari balok biasa. Pada balok biasa, penampang kritis untuk menghitung gaya geser rencana V u diambil pada jarak d dari muka perletakan; sedangkan pada balok tinggi, bidang gesernya sangat miring dan dekat perletakan. Jika x adalah jarak antara bidang keruntuhan dari muka perletakan, l n adalah bentang bersih untuk beban terdistribusi merata, dan a ada lengan geser atau bentang untuk beban tepusat, maka persamaan untuk jarak ini adalah:
Beban terdistribusi merata: x = 0,15 ln (1.1) Beban terpusat: x = 0,50 a (1.2) Dalam kedua hal, jarak x ini tidak boleh melebihi tinggi efektif d. Gaya geser rencana Vu harus memenuhi kondisi: Vu < ϕ ( 8 bw d ) untuk ln/d < 2.0 (1.3) atau Vu < ϕ untuk 2 < ln/d < 5 (1.4) Jika tidak memenuhi keadaan ini, penampang harus diperbesar. Faktor reduksi kekuatan f = 0,85. Gaya geser tahanan nominal V c untuk beton sederhana dapat diambil sebagai: V c < b w d < 6 b w d (1.5)
Dalam upaya untuk mendisain daerah-d kritis, perlu diambil tahaptahap berikut : Pisahkan setiap daerah-d Hitung tegangan-tegangan, yang bekerja pada batasan-batasan daerah-d, yang menggantikannya dengan sebuah atau lebih gaya-gaya resultan di setiap batasannya. Pilih sebuah model tras untuk mentransfer gaya-gaya resultan melintas daerah D.
Gambar Klasifikasi node strat-dan-pengikat
Gambar Model strat-dan-pengikat sebuah balok tinggi terdukung sederhana yang dikenai oleh beban terpusat pada sisi teratasnya.
qpersyaratan-persyaratan Disain ACI
Gambar Daerah nodal yang diperpajang mendemonstrasikan efek distribusi gaya: (a) satu lapis batang tulangan; (b) baja terdistribusi.
Gambar Model tras dan distribusi tegangan dalam balok tinggi terdukung sederhana: (a) garis trayektori tegangan utama untuk balok yang dibebani pada sisi teratasnya; (b) distribusi tegangan elastis melintai kedalaman balok; (c) model tras teridealisasi; (d) pola retak.
q Perhitungan Kekuatan Geser Balok Tinggi dengan Metode Strut and Tie Model Gambar Elemen-elemen dalam Strut and Tie Model
Elemen Strut Gambar Idealisasi bentuk-bentuk strut
Elemen Tie
Gambar Model rangka batang yang ditinjau setengah bentang (Sumber: ACI 318-02 Appendix A, 2002)
Elemen Nodal
7. Metodologi Flowchart Metode Studi
8. ANALISA KEKUATAN GESER DAN LENTUR PADA BALOK TINGGI BETON BERTULANG
9. ANALISA ABAQUS Hasil Analisa Kontrol Dimensi Balok Tinggi Pada bagian ini akan dibahas perilaku dari masing-masing balok tinggi dengan menggunakan software ABAQUS versi 6.7. Software ini digunakan untuk analisa perilaku masing-masing balok tinggi. Tahapan dalam Perencanaan dengan Menggunakan Software ABAQUS versi 6.7. Dalam menganalisa perilaku balok tinggi dengan software ABAQUS versi 6.7 terdapat beberapa tahapan. Tahapan tersebut antara lain : 1.Part 2.Property 3.Assembly 4.Step 5.Interaction 6.Load 7.Mesh 8.Job
Gambar bentuk deformasi pada balok tinggi RC.
3 1 2 Gambar titik yang akan ditinjau.
Titik 1 Tegangan yang terjadi pada titik 1 = 126 MPa Titik 2 Deformasi pada titik 2 sebesar = 8,684 mm Tegangan yang terjadi pada titik 2 = 46,14 MPa Titik 3 Tegangan yang terjadi pada titik 3 = 126 MPa
Selanjutnya akan dianalisa balok tinggi SRC dengan menggunakan software ABAQUS versi 6.7. Adapun nama masing-masing balok tinggi adalah ACI-I-SRC, STM-I-SRC, STM-H-SRC dan STM-M-SRC. Pada balok tinggi SRC digunakan WF 300x150x9x13, maka : Vw = 0,6 fy. t. d = 0,6. 414. 9. 300 = 670680 N Mn = Z. Fy = 522 E-03. 250 = 130500000 =130,5 kn.m
Gambar bentuk deformasi balok tinggi SRC akibat beban terpusat (P = 2670 kn).
Gambar bentuk deformasi profil WF 300x150x9x13 pada balok tinggi SRC akibat beban terpusat (P = 2670 kn).
Dari hasil analisa ABAQUS di atas, lendutan dan tegangan yang terjadi akibat bebab terpusat pada balok tinggi RC dan SRC dapat dilihat pada tabel 5.1 di bawah ini. Tegangan yang terjadi pada titik lendutan maksimum balok tinggi SRC adalah 38,03 MPa. Tabel 5.1 Lendutan dan tegangan yang terjadi pada balok tinggi RC dan SRC Analisa Balok Tinggi RC Balok Tinggi SRC Lendutan Maximum 8,68 mm 7,34 mm Tegangan Maximun di beton Tegangan di baja Maximum 126 MPa 163 MPa - 100,7 MPa
10. ANALISA PENAMPANG BALOK TINGGI Analisa Balok Tinggi Pada analisa Balok tinggi ini akan diasumsi menerima beban lentur arah X mulai beban 0 - runtuh. Hasil analisa dari Xtract adalah sebagai barikut: Dari hasil analisa penampang masing-masing balok tinggi di atas, diketahui bahwa momen saat leleh pertama dan momen ultimate yang terjadi akibat bebab terpusat pada balok tinggi RC dan SRC dapat dilihat pada tabel 6.1 di bawah ini. Tabel 6.1 Nilai M y dan M u pada balok tinggi. Nama Balok Tinggi M y (N.m) M u (N.m) ACI-I-RC 156300 353900 STM-I-RC 110000 275500 STM-H-RC 81780 200200 STM-M-RC 64440 160100 ACI-I-SRC 515400 817000 STM-I-SRC 455400 677100 STM-H-SRC 462200 719400 STM-M-SRC 451700 695100
Dari tabel di atas, dapat disimpulkan bahwa M y yang terjadi pada balok tinggi ACI-I-SRC naik 229,75 %, sedangkan M u yang terjadi pada balok tinggi ACI-I- SRC naik 229,75 % jika dibandingkan dengan balok tinggi RC. Dalam hal ini dapat dilihat pada tabel 6.2 berikut ini. Tabel 6.2 Peningkatan Nilai M y dan M u pada balok tinggi SRC dibandingkan dengan balok tinggi RC. Nama Balok Tinggi Naik (%) Naik (%) ACI-I-SRC 229,75 130,85 STM-I-SRC 314 145,77 STM-H-SRC 465,17 259,34 STM-M-SRC 600,96 334,16
11. KESIMPULAN Dari hasil perhitungan secara analitis dan analisa struktur dengan menggunakan ABAQUS versi 6.7 dan XTRACT versi 2.6.2 diperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. Kekuatan geser pada balok tinggi dengan metode geser analitis dan metode stratdan-pengikat menunjukkan tulangan geser terpasang untuk benda uji ACI-I-RC sudah memenuhi kekuatan geser yang terjadi akibat pembebanan, 2. Kekuatan lentur pada balok tinggi dengan metode geser analitis dan metode stratdan-pengikat menunjukkan tulangan geser terpasang untuk benda uji ACI-I-RC sudah memenuhi kekuatan geser yang terjadi akibat pembebanan. 3. Untuk benda uji STM-M-RC tidak memenuhi perhitungan kekuatan geser. 4. Hasil ABAQUS menunjukkan arah beban geser dan lentur yang terjadi, dimana tegangan geser maksimum sebesar 126 MPa pada balok tinggi RC. 5. Analisa penampang lentur dengan XTRACT versi 2.6.2 diperoleh hasil kekuatan momen yang lebih besar jika digunakan profil WF 300x150x9x13 pada balok tinggi.
TERIMA KASIH