BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Data Umum Perencanaan struktur suatu gedung bertingkat secara rinci membutuhkan suatu rangkaian proses analisis dan perhitungan yang didasarkan pada asumsi dan pertimbangan teknis tertentu. Dengan kecanggihan perangkat lunak yang ada pada saat ini memungkinkan para teknisi untuk merencanakan segala sesuatunya dari berbagai sudut pandang dengan sangat rinci dengan tingkat ketelitian yang tinggi. Dalam studi kasus kali ini akan di jelaskan bagai mana cara mendesain struktur gedung dengan mengkombinasikan struktur beton pratengang dengan beton bertulang biasa. Beton adalah suatu bahan yang mempunyai kekuatan yang tinggi terhadap tekan, tetapi sebaliknya mempunyai kekuatan relative sangat rendah terhadap tarik. Beton tidak selamanya bekerja secara efektif didalam penampang-penampang struktur beton bertulang, hanya bagian tertekan saja yang efektif bekerja, sedangkan bagian beton yang retak di bagian Tarik tidak bekerja efektif dan hanya merupakan beban mati yang tidak bermanfaat. Hal inilah yang menyebabkan tidak dapatnya diciptakan srtuktur-struktur beton bertulang dengan bentang yang panjang secara ekonomis, karena terlalu banyak beban mati yangtidak efektif. Disampimg itu, retak-retak disekitar baja tulangan bisa berbahaya bagi struktur karena merupakan tempat meresapnya air dan udara luar kedalam baja tulangan sehingga terjadi karatan. Putusnya baja tulangan akibat karatan fatal akibatnya bagi struktur. Untuk mengatasi hal tersebut pada tahun 1886 PH. Jackson dari California,Amerika Serikat mencoba menerapkan sistem beton prategang saat membuatkonstruksi pelat atap. Kemudian pada tahun 1888, CEW Doehring mendapatkan hak paten untuk penegangan pelat beton dengan Deni Kurniawan 41110010002 II- 1
kawat baja. Tetapi gaya prategang yang diterapkan dalam waktu yang singkat menjadi hilang, karena rendahnya mutu dan kekuatan baja. Dalam studi kasus kali ini yang digunakan untuk standar perencanaan menggunakan acuan yang berlaku di Indonesia pada saat ini yaitu SNI-1726-2002 dan SNI-03-2847-2002 tentang tata cara perencanaan struktur beton bertulang tahan gempa untuk bangunan gedung. 2.2 Perencanaan Struktur Beberapa hal yang harus diperhatikan dalam menentukan sistem strktur terhadap beban lateral antara lain adalah : 1. Kekakuan diaphragma dan kekakuan struktur 2. Distribusi gaya dan konsentrasi tahanan 3. Tahanan pada keliling luar (perimeter) struktur bangunan 4. Loncatan bidang vertikal (vertikal set back) 5. Diskontinuitas kekuatan dan kekakuan struktur karena adanya balok transfer (transfer girder), lantai transfer (transfer floor) atau dinding struktur yang tidak menerus ke bawah, dan dinding struktur yang letaknya berselang-seling baik dalam arah vertikal maupun horizontal. A. Perencanaan Balok Pada sistem struktural yang ada di gedung, elemen balok adalah elemen yang paling banyak digunakan dengan pola berulang. Umumnya pola ini menggunakan susunan hirarki balok, dimana beban pada permukaan mula-mula dipikul oleh elemen permukaan diteruskan ke elemen struktur sekunder, dan selanjutnya diteruskan ke kolektor atau tumpuan. Semakin besar beban, yang disertai dengan bertambahnya panjang, pada umumnya akan memperbesar ukuran atau tinggi elemen struktur. Deni Kurniawan 41110010002 II- 2
L Balok biasa (non-prestress) h =.L sampai dengan Perencanaan Struktur Gedung dengan Menggunakan Balok Prestressed Variabel utama dalam mendesain balok meliputi: bentang, jarak balok, jenis dan besar beban, jenis material, ukuran dan bentuk penampang, serta cara penggabungan atau fabrikasi. Semakin banyak batasan desain, maka semakin mudah desain dilakukan. Setiap desain harus memenuhi kriteria kekuatan dan kekakuan untuk masalah keamanan dan kemampuan layan. h = Deni Kurniawan 41110010002 II- 3
- Untuk m α > 0.2 h 100 mm Dimana : β = Deni Kurniawan 41110010002 II- 4
Hal yang utama dalam desain prategang adalah perhitungan tentang kekuatan lentur. Disamping itu daktilitas dari setiap penampang juga harus dicek. Apabila gaya prategang bekerja tidak pada pusat penampang, tetapi dengan eksentrisitas maka ada tambahan tegangan pada eksentrisitas tersebut. q P P h e b Gambar 2.2.1 Prategang Dengan Eksentrisitas - + + + + = Gambar 2.2.2 Diagram Tegangan 0 Deni Kurniawan 41110010002 II- 5
Tegangan akibat prategang adalah: Tegangan akibat beban luar termasuk berat sendiri: Resultan tegangan di serat tarik dibuat sama dengan nol untuk struktur prategang penuh (fully prestressed) sementara untuk yang prategang sebagian (partial prestressed) disesuaikan dengan tegangan ijinnya. Di serat tekan tegangan tidak boleh melebihi tegangan yang diijinkan. Dengan demikian tegangan tertekan adalah: Deni Kurniawan 41110010002 II- 6
P P P R = P sin Kp P. Kp Unit Panjang Kp P Segment Kabel Per Unit Panjang Free Body Gambar 2.2.3 Diagram Gaya Pada Kabel Deni Kurniawan 41110010002 II- 7
Perkembangan beton prategang dimulai dengan cara yang berbeda di mana gaya prategang dibuat hanya ditunjukan untuk menciptakan tekanan permanen pada beton guna memperbaiki kekuatan tariknya. Kemudian menjadi lebih jelaslah bahwa memberikan gaya prategang pada baja juga penting untuk pemanfaatan baja mutu tinggi (high-tensile steel) yang efisien. Memberikan gaya prategang berarti membuat tegangan permanen di dalam struktur dengan tujuan memperbaiki prilaku dan kekuatannya pada bermacam-macam pembebanan. Keuntungan penggunaan beton prategang (prestressed concrete) 1. Dapat memikul beban lentur yang lebih besar daripada beton bertulang biasa. 2. Dapat digunakan dengan bentang yang lebih panjang dengan mengatur defleksinya. 3. Ketahanan geser dan puntirnya bertambah dengan adanya penegangan. 4. Dapat digunakan pada rekayasa konstruksi tertentu, nya pada konstruksi jembatan. 5. Pada penampang yang diberi penegangan, tegangan tarik dapat di eliminasi karena besarnya gaya tekan disesuakan dengan beban yang akan diterima. Sedangkan kekurangan struktur beton prategang (prestressed concrete) relatif lebih sedikit dibandingkan berbagai kelebihannya, di antaranya: Memerlukan peralatan khususseperti tendon, angkur mesin penarik kabel, dll. Memerlukan keahlian khusus baik dalam perencanaan maupun pelaksanaannya. 2.3 Metode Pratekan Dalam memberikan tekanan pada beton pratekan dilakukan sebelum atau sesudah beton di cetak/dicor. Kondisi tersebut yang membedakan system pratekan, yaitu pratarik (Pre-Tension) dan pascatarik (Post-Tension) Deni Kurniawan 41110010002 II- 8
- Pratarik (Pre-Tension) Pada cara ini, tendon pertama-tama ditarik dan diangkur pada abutment tetap. Beton dicor pada cetakan yang sudah disediakan dengan melingkupi tendon yang sudah ditarik tersebut. Jika kekuatan beton sudah mencapai yang disyaratkan maka tendon dipotong atau angkurnya dilepas. Pada saat baja yang ditarik berusaha untuk berkonstraksi beton akan tertekan. Pada cara ini tidak digunakan selongsong tendon. - Pasca Tarik (Post-Tension) Pada cara ini beton dicor di sekeliling slongsong (ducts) terlebih dahulu pada cetakan yang sudah disediaakan. Posisi slongsong diatur terlebih dahulu sesuai dari bidang momen dari struktur yang direncanakan. Jika beton sudah mencapai kekuatan tertentu kemudian tendon ditarik. Tendon dapat ditarik disatu sisi dan disisi yang lain di angkur. Atau tendon di Tarik di dua sisi secara bersamaan. Beton menjadi tertekan setelah pengangkuran. 2.4 Tahap Pembebanan Pada beton pratengang mengalami beberapa tahap pembebanan. Pada setiap pembebanan harus dilakukan pengecekan atas kondisi serat tertekan dan serat tertarik dari setiap penampang.pada tahap tersebut berlaku tegangan ijin yang berbeda-beda sesuai kondisi beton dan tendon. Ada dua tahap pembebanan pada beton prategang, yaitu transfer dan service - Transfer Tahap transfer adalah tahap pada saat beton sudah mulai mengering dan dilakukan penarikan kabel prategang. Pada saat ini biasanya yang bekerja hanya beban mati struktur, yaitu berat sendiri struktur ditambah beban pekerja dan alat. Deni Kurniawan 41110010002 II- 9
Pada saat ini beban hidup belum bekerja sehingga momen yang bekerja minimum,sementara gaya yang bekerja adalah maksimumkarena belumada kehilangan gaya prategang. - Sevice Kondisi service adalah kondisi pada saat beton prategang digunakan sebagai komponen struktur. Kondisi ini dicapai setelah semua gaya prategang dipertimbangkan pada saat ini beban luar pada kondisi maksimum sedangkan gaya pratekan mendekati harga minimum. 2.5 Prosedur Perencanaan Pada saat ini ada dua tmetode perencanaan struktur beton yang pertama adalah metode beban kerja (working stress method), dan yang kedua metode beban batas (limit states method). Metode beban kerja dilakukan dengan menghitung tegangan yang terjadi dan membandinkan dengan tegangan ijin yang bersangkutan. Apabila tegangan yang terjadi lebih kecil dari tegangan ijin maka dinyatakan aman. Dalam menghitung tegangan semua beban tidak dikalikan dengan faktor beban. Tegangan ijin dikalikan dengan suatu faktor kelebihan tegangan (overstress factor). Untuk struktur beton, metode ini diterapkan pada peraturan beton Indonesia (PBI 1971). Metode beban batas didasarkan pada batas-batas tertentu yang bisa dilampaui oleh suatu system struktur. Batas-batas tersebut terutama adalah kekuatan, kemampuan layan, keawetan, ketahanan terhadap api, ketahanan terhadap beban kelelahan dan persyaratan khusus yang berhubungan dengan penggunaan system struktur tersebut setiap batas dinyatakan aman apabila aksi rencana lebih kecil dari kapasitas komponen struktur. Aksi rencana dihitung menggunakan faktor beban, sedangkan kapasitas bahan dikalikan Deni Kurniawan 41110010002 II- 10
dengan faktor reduksi kekuatan. Peraturan beton saat ini menggunakan SNI T15-1991-03, atau edisi barunya, SNI 03-2874-2002. Tahap batas (limit states) adalah konsekuensi yang tidak diinginkan yang berhubungan dengan kemungkinan kegagalan. Jika suatu struktur tidak bisa melayani beban diatasnya maka struktur tersebut akan memasuki suatu tahap batas kemampuan layannya. Setiap tahap batas dipertimbangkan secara terpisah. Pemenuhan suatu tahap batas belum tentu memenuhi tahap batas yang lain. Beban pada struktur umumnya terdiri dari beban mati, beban hidup, beban angina, prategang, gempa, tekanan tanah, tekanan air, dan lain-lain. Beban yang digunakan dalam desain struktur dikalikan dengan suatu faktor beban dalam suatu kombinasi pembebanan. Berikut ini kombinasi pembebanan dari beberapa peraturan untuk tahap batas kekuatan (strength limit states) SNI 03-2874- 2002 kode Indonesia. Beban Mati : U = 1,4 D Beban Mati dan Hidup : U = 1,2 D + 1,6 L + 0,5 (A atau R) Beban Angin : U = 1,2 D + 1,0 L+ 1,6 W + 0,5 (A atau R) Gempa : U = 1,2 D + 1,0 L + 1,0 E atau 0,9 D + 1,0 E ACI 318-83 (1983) Peraturan Amerika Serikat. Beban Mati dan Hidup Beban angin Gempa Tekanan Tanah : U = 1,4 D + 1,7 L : U = 0,75(1,4 D+ 1,7 L + 1,7 W) atau 0,9 D + 1,3 W : U = 0,75(1,4 D+ 1,7 L + 1,1 E) atau 0,9 G + 1,1 E : U = 1,4 D+ 1,7 L + 1,7 E atau 0,9 D + 1,7 E Dengan demikian suatu struktur beton prategang harus didesain sedemikian sehingga mempunyai kekuatan yang cukup dan mempunyai kemampuan layan yang sesuai Deni Kurniawan 41110010002 II- 11
kebutuhan. Disamping itu struktur beton prategang (prestressed concrete) harus awet, tahan terhadap api,tahan terhadap kelelahan (untuk beban uyang berulang-ulang dan berubah-ubah, seperti struktur pada jembatan), serta memenuhi persyaratan lain yang berhubungan dengan kegunaannya. Prinsip perhitungan tegangan dari beton prategang harus memperhatikan hal-hal berikut: 1. Kondisi transver dengan gaya prategang awal dan beban terbatas (beban mati dan beban konstruksi) 2. Kehilangan gaya prategang pada perhitungan awal biasanya ditentukan sebesar 25% untuk struktur pratarik dan 20% untuk struktur pascatarik. 3. Kondisi servis dengan gaya prategang efektif dan beban maksimum (beban mati, beban hidup, dan pengaruh-pengaruh lain). 4. Hal-hal lain yang mempengaruhi struktur beton prategang (prestressed concrete) seperti adanya pengaruh sekunder pada struktur statis tak tentu, pengaruh Pδ dan lainlain, serta prilaku struktur dari awal sampai waktu yang ditentukan. 2.5.1 Material Beton Prategang (Prestressed Concrete) 1. Beton Beton adalah campuran dari semen, air dan agregat serta suatu bahan tambahan. Setelah beberapa jam di campur, bahan-bahan tersebutakan langsung mengeras sesuai bentuk pada waktu basahnya. Campuran tipikal untuk beton dengan perbandingan berat adalah agregat kasar 44%, agregat halus 31%, semen 18%, dan air 7%. Kekuatan beton ditentukan oleh kuat tekan karakterristik pada usia 28 atau f c. kuat tekan karakteristik adalah tegangan yang melampaui 95% dari pengukuran kuat tekan uniaksial yang diambil dari penekanan standaryaitu dengan kubus ukuran 150 x 150 mm, atau silinder dengan diameter 150 mm dan Deni Kurniawan 41110010002 II- 12
tinggi 300 mm. pengukuran kuat tekan dengan kubus adalah lebih tinggi dari kuat tekan silinder. Rasio antara kekuatan silinder dan kubus adalah 0,8. Beton yang digunakan untuk beton prategang (prestressed concrete) adalah beton yang mempunyai kekuatan tekan yang cukup tinggi dengn nilai f c antara 30 45 Mpa.kuat tekan yang tinggi diperlukan untuk menahan tegangan tekan pada serat tertekan, pengangkuran tendon, mencegah terjadinya keretakan, mempunyai modulus elastisitas yang tinggi dan mengalami rangkak lebih kecil. 2. Baja Baja yang digunaka dalam betin prategang (prestressed concrete) ada beberapa macam, antara lain: 1. Kawat tunggal (wires), biasanya digunakan pada beton pratenggang dengan sistem pratarik. 2. Untaian kawat (strand), biasanya digunakan untuk baja prategang pada beton pratengang dengan sistem pascatarik. 3. Kawat batangan (bars), digunakan untuk baja prategang dengan sistem pratarik. 4. Tulangan biasa, sering digunakan untuk tulangan non-ptrategang (tidak ditarik), seperti tulangan memanjang, sengkang, tulangan untuk pengangkuran dan lainlain. Pada studi kasus proyek pembangunan Tower Ambassador 2 ini untuk desain beton prategang (prestressed concrete) menggunakan sistem pascatarik (Post-Tension). Sehingga dalam pelaksanaannya mengunakan untaian kawat (strand). Untaian kawat (strand) yang dipakai harus memenuhi syarat seperti yang terdapat pada ASTM A 416. Untaian kawat (strand) yang banyak dipakai adalah untaian Deni Kurniawan 41110010002 II- 13
dengan tuju kawatdengan dua kwalitas: Grade 250 dan Grade 270 (seperti di Amerika Serikat). Diameter untaian kawat adalah bervariasi antara 7,9 15,2 mm. Tegangan tarik (fp) untaian kawat adalah ANTARA 1750 1860 Mpa. Nilai modulus elastisitasnya, Ep = 195 x 10 3 Mpa. Untuk tujuan desain nilai tegangan leleh dapat diambil 0,85 kali tegangan tariknya (0.85 fp ). Tabel 2.5.1spesifikasi strand 7 kawat Ø Nominal (mm) Luas Nominal mm 2 Kuat Putus (kn) 6,35 23,22 40 7,94 37,42 64,5 9,53 51,61 89 11,11 69,68 120,1 12,70 92,9 160,1 15,24 139,35 240,2 2.6 Geser pada Beton Prategang Dalam mendesain balokpra tengang harus memperhitungkan kekuatan. Tahan terhadap lentur dan geser. Pengaruh gaya pratekan secara longitudinal menghambat terbentuknya retak akibat geser. Komponen vertical dari pratekan V p bersama-sama dengan kekuatan geser V cs menahan gaya geser akibat beban luar V. V = V cs + V p Tegangan akibat beban luar dinyatakan dengan persamaan: f c Deni Kurniawan 41110010002 II- 14
y : jarak dari berat penampang ke serat terluar I : inersia penampang M : momen akibat beban luar 2.7 Kehilangan Tegangan pada Balok Prategang Kehitangan tegangan adalah berkurangnya gaya yang bekerja pada tendon dalam tahap-tahap pembebanan. Secara umum kehilangan teganagan pada struktur beton prategang di ilustrasikan pada gambar berikut: P j Kehilangan Langsung Kehilangan Tergantung Waktu P j P e (Immediate Losses) ( Time Dependent Losses ) Gaya prategang awal (Jaking Force) Gaya Prategang Sesaat Setelah Transfer ( Initial Force) Gaya Prategang Akhir/ Efektif (final / Effective Force) Kehilangan tegangan langsung disebabkan oleh perpendekan elastis dari beton, gesekan sepanjang kelengkungan tendon pada struktur pascatarik, slip pada angkur, dan lain-lain. 1. Perpendekan Elastis Dalam studi kasus ini untuk perencanaan struktur balok prategang menggunakan metode pascatarik (Post-Tension). Kehilangan gaya prategang ditentukan oleh kabel yang pertama ditatik dan memakai harga setengahnya untuk mendapatkan harga rata-rata semua kabel. Kehilangan tegangan pada struktur pascatarikdapat ditentukan dengan persamaan berikut: Deni Kurniawan 41110010002 II- 15
antara 0,15 dan 0.25. sedangkan kehilangan tegangan akibat gesekan pada tendon dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut: Perencanaan Struktur Gedung dengan Menggunakan Balok Prestressed yang fleksibel adalah Antara 0,0016 dan 0,0066. Harga. Harga untuk tendon 7 wire strand pada slongsong 2. Gesekan pada Tendon Struktur prategang dengan tendon yang melengkung diketahui adanya gesekanpada system penarik (jacking) dan angkur sehingga tegangan yang ada pada tendon lebih kecil daripada yang terdapat pada alat baca tekanan (pressure gauge). Kehilangan tegangan akibat gesekan pada tendon sangat dipengaruhi oleh pergerakan dari slongsong (wobble). Untuk itu digunakan koefisien wobble, K, dan koefisien kelengkungan Deni Kurniawan 41110010002 II- 16
di mana: : deformasi pada angkur f c : tegangan pada penampang E s : modulus elastisitas baja tendon L : panjang kabel 2.8 Kehilangan Tegangan Total Pada tahap awal perencanaan struktur, pada umumnya tidak langsung dihitung kehilangan tegangan yang terjadi, tetapi di taksir terlebih dahulu. Karena kehilangan tegangan dipengaruhi beberapa factor seperti karakteristik beton dan baja, metode pengecoran, metode prategang, besarnya gaya prategang dan lain-lain. Dalam mendesain sulit untuk memprediksi tegangan total, akan tetapi nilai-nilai tipikal dari setiap kehilangan yang terjadi pada kondisi normal dapat digunakan untuk estimasi awal kehilangan tegangan total. Lin (1982) merekomendasikan kehilangan tegangan total sebagai berikut: Untuk struktur pratarik terdiri dari 4% perpendekan elastic, 6% rangkak pada beton, 7% susut pada beton, dan 8% relaksasi baja sehingga sehingga kehilangan tegangan total untuk struktur pratarik adalah 25%. Untuk struktur paska tarik terdiri dari 1% perpendekan elastis, 5% rangkak pada beton, 6% susut pada beton, 8% relaksasi baja. Dengan demikian kehilangan tegangan total untuk struktur pascatarik adalah 20%. Deni Kurniawan 41110010002 II- 17
2.9 Ketentuan Tentang Kemampuan Layan Dalam SNI 2002 menetapkan bahwa semua komponen struktur beton (baik prategang maupun bertulang) harus direncanakan dengan kekuatan yang cukup dan membatasi lendutan yang dapat memperlemah struktur serta mengurangi kemampuan layan. SNI 2002 juga menentapkan bahwa: 1. Lendutan seketika dari komponen struktur harus dihitung dengan metode atau formula standar untuk lendutan elastis. Momen inersia penampang bruto bisa digunakan untuk penampang yang tidak retak. 2. Lendutan jangka panjang tambahan harus dihitung dengan memperhatikan pengaruh tegangan dalam beton dan baja akibat beban tetap. Perhitungan lendutan harus mencakup pengaruh susut, rangkak, dan relaksasi baja. 3. Lendutan tidak boleh melebihi batas yan ditetapkan sebagai berikut: a. L/180 untuk atap datar yang tidak menahan atau tidak disatukan dengan komponen non-struktural yang mungkin akan rusak oleh lendutan yang besar. b. L/360 untuk lantai yang tidak menahan atau tidak disatukan dengan komponen non-struktural yang mungkin akan rusak oleh lendutan yang besar. c. L/480 untuk konstruksi atap atau lantai yang menahan atau disatukan dengan komponen non-struktural yang mungkin akan rusak oleh lendutan yang besar. d. L/240 untuk konstruksi atap atau lantai yang menahan atau disatukan dengan komponen non-struktural yang mungkin tidak akan rusak oleh lendutan yang besar. Deni Kurniawan 41110010002 II- 18
2.10 Gempa Beban gempa adalah beban yang timbul akibat percepatan getaran tanah pada saat gempa terjadi. Untuk merencanakan struktur bangunan tahan gempa, perlu diiketahui percepatan yang terjadi pada batuan dasar. Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan, wilayah Indonesia dapat dibagi ke dalam 6 wilayah zona gempa. Struktur bangunan yang akan direncanakan terletak pada wilayah gempa 4. Berikut ini adalah grafik dan tabel Respons Spektra pada wilayah gempa zona 4 untuk kondisi tanah lunak, sedang, dan keras. Gambar 2.10.1 Wilayah Gempa 3 Deni Kurniawan 41110010002 II- 19
Analisis yang digunakan dalam perencanaan gempa ini adalah metode analisis Statik Ekivalen yang bekerja pada gedung yang menirukan pengaruh dari gerakan tanah akibat gempa tersebut. Berdasarkan SNI 1726-2002, beban geser dasar nominal statik ekivalen (V) yang terjadi di tingkat dasar dapat dihitung berdasarkan persamaan: di mana: V : gaya geser dasar rencana total R : faktor modifikasi respon wt : berat total struktur I : faktor keutamaan gedung Deni Kurniawan 41110010002 II- 20