STUDI EKSPERIMENTAL KUAT LENTUR PADA BALOK BETON BERTULANG DENGAN PERKUATAN BAJA RINGAN PROFIL U TUGAS AKHIR Diajukan untuk melengkapi syarat penyelesaian pendidikan sarjana Teknik Sipil Disusun oleh : LOLIANDY 090404091 BIDANG STUDI STRUKTUR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014
ABSTRAK Jika struktur beton bertulang memikul beban melebihi daya pikulnya, maka struktur beton tersebut akan mengalami ketidakmampuan dalam memikul beban. Ketidakmampuan ini berwujud pada penurunan kapasitas lentur yang akan mengakibatkan struktur beton menjadi hancur (failure). Oleh karena itu perbaikan atau perkuatan dilakukan pada bagian-bagian yang dominan dalam mendukung lentur. Pada penelitian ini digunakan baja ringan profil U sebagai bahan alternatif untuk perkuatan lentur pada balok beton bertulang yang diharapkan dapat meningkatkan kekuatan struktur tersebut. Perkuatan dilakukan pada daerah tarik dengan menggunakan baja ringan profil U dengan sambungan baut. Penelitian ini dilakukan dengan 3 (tiga) balok beton bertulang, dimana 1 (satu) balok beton bertulang normal dan 2 (dua) lainnya berupa balok beton bertulang dengan perkuatan baja ringan profil U. Pengujian balok dilakukan di atas 2 (dua) perletakan sendi dan rol untuk pengujian kuat lentur, regangan, lendutan, dan retak. Hasil pengujian balok dengan perkuatan baja ringan profil U TS.40.45 menunjukkan terjadi penurunan lendutan sebesar 20,04 %, penurunan regangan beton (Ɛs) sebesar 8,38 % dan penurunan regangan tulangan baja tarik (Ɛs) sebesar 7,55 %. Kata Kunci: Balok, Lentur, Baja Ringan, Lendutan, Regangan
KATA PENGANTAR Puji dan syukur saya ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, yang telah memberikan anugrah, berkat dan karunia-nya, sehingga saya dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan judul "Studi Eksperimental Kuat Lentur Pada Balok Beton Bertulang Dengan Perkuatan Baja Ringan Profil U". Tugas akhir ini merupakan syarat untuk mencapai gelar Sarjana Teknik Sipil Bidang Studi Struktur, Departemen Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Untuk dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini, tentunya tidak dapat terlepas dari segala hambatan dan rintangan, namun berkat bantuan moril maupun materil dari berbagai pihak serta dukungan dan saran dari berbagai pihak, akhirnya Tugas Akhir ini dapat diselesaikan dengan baik. Oleh karena itu, pada kesempatan ini saya menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Ir. Sanci Barus, MT, selaku dosen pembimbing yang telah bersedia meluangkan waktu untuk memberikan saran dan bimbingan. 2. Ibu Rahmi Karolina, ST, MT, selaku dosen penguji I yang telah memberikan kritikan dan nasehat yang membangun. 3. Bapak Ir. Robert Panjaitan, selaku dosen penguji II yang telah memberikan kritikan dan nasehat yang membangun. 4. Bapak Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan, selaku Ketua Departemen Teknik Sipil, Fakultas Teknik, 4. Bapak Ir. Syahrizal, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Sipil, Fakultas Teknik,.
5. Bapak Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT, selaku dosen yang telah bersedia meluangkan waktu untuk memberikan saran dan bimbingan. 6. Bapak/Ibu Dosen Departemen Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. 7. Bapak/Ibu pegawai administrasi Departemen Teknik Sipil, Fakultas Teknik,, yang telah memberikan bantuan selama ini kepada saya. 8. Bapak/Ibu pegawai administrasi Magister (S2) Program Studi Teknik Sipil Pascasarjana,, atas bantuannya yang telah memberikan ijin untuk dapat menggunakan peralatan Laboratorium Struktur Pascasarjana (S2). 9. Kedua orang tua saya yang tidak pernah lelah berdoa, memberikan semua yang terbaik, kasih sayang yang tak terhingga dan untuk abang dan adik yang selalu mendukung terima kasih banyak. 10. Asisten Laboratorium Bahan Rekayasa: Hafiz '09, Prima '09, Reza '09, Fauzi '10, Rahmad '10. 11. Teman-teman mahasiswa seperjuangan 2009: Adi, Ajo, Antonius, Agus, Bennny, Deser, Desi, Elgina, Elisa, Erin, Evi, Fathony, Frans, Grace, Hendriko, Jimmy, Kevin, Lia, Leslie, Manna, Mariance, Nora, Punut, Putri, Sahala, Sri, Utin, Wahyu, Yessica serta stambuk 2009 lainnya. 12. Abang dan Kakak mahasiswa stambuk 2004, 2006, 2007, 2008 yang telah banyak membantu memberikan informasi maupun memberikan dukungan untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini.
13. Adik-adik mahasiswa stambuk 2010, 2011, 2012, 2013 yang telah banyak membantu memberikan dukungan untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini. Saya menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna, sehingga saya mengharapkan kritik dan saran yang membangun untuk menambah pengetahuan dan wawasan saya di masa depan. Akhirnya saya berharap semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi saya dan rekan-rekan serta adik-adik di Departemen Teknik Sipil, Fakultas Teknik,. Medan, Mei 2014 Loliandy (09 0404 091)
DAFTAR ISI ABSTRAK... KATA PENGANTAR... DAFTAR ISI... DAFTAR TABEL... i ii v x DAFTAR GAMBAR... xii DAFTAR GRAFIK... xvi DAFTAR NOTASI... xviii BAB I PENDAHULUAN... 1 I.1 Latar Belakang Masalah... 1 I.2 Studi Literatur... 2 I.3 Perumusan Masalah... 6 I.4 Tujuan Penelitian... 7 I.5 Pembatasan Masalah... 7 I.6 Metodologi Penelitian... 8 I.7 Sistematika Penulisan... 9 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 11 II.1 Umum... 11 II.2 Kekuatan Tekan Beton... 15 II.3 Kekuatan Tarik Beton... 16 II.4 Tegangan dan Regangan Beton... 17 II.5 Kurva Tegangan-Regangan Beton... 20 II.6 Modulus Elastisitas Beton... 22 II.7 Beton Bertulang... 24
II.8 Baja Tulangan... 25 II.9 Balok Beton Bertulang... 27 II.10 Penampang Beton Bertulang Dalam Keadaan Lentur Murni... 30 II.10.1 Tegangan Elastis Tidak Retak... 30 II.10.2 Tegangan Pada Pembebanan Ultimit... 31 II.11 Perilaku Defleksi Pada Balok... 34 II.12 Ragam Keruntuhan... 37 II.13 Penggolongan Jenis Retak... 39 II.14 Jenis-Jenis Material Baja... 40 II.15 Macam-Macam Profil Baja... 41 II.16 Baut... 42 II.16.1 Sistem Sambungan Baut... 43 II.17 Struktur Komposit... 44 II.17.1 Metode Pelaksanaan Struktur Komposit... 45 BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 47 III.1 Perencanaan Balok Terlentur Bertulangan Tarik Saja... 47 III.2 Kuat Lentur Balok... 50 III.3 Lendutan Sesaat... 51 III.4 Lendutan Jangka Panjang... 52 III.5 Perhitungan Benda Uji Balok Beton Bertulang... 55 III.5.1 Benda Uji Balok Beton Bertulang Normal... 55 III.5.2 Benda Uji Balok Beton Bertulang Perkuatan Baja Ringan 59 III.5.3 Perhitungan Tulangan Geser... 63 III.6 Bahan Penelitian... 65
III.6.1 Semen... 65 III.6.2 Agregat... 67 III.6.2.1. Agregat Halus... 67 III.6.2.2. Agregat Kasar... 69 III.6.3 Air... 71 III.6.4 Baja Tulangan... 72 III.6.5 Baja Ringan Profil U... 73 III.7 Pembuatan Benda Uji... 74 III.7.1. Perencanaan Campuran Beton... 74 III.7.1.1. Perencanaan Campuran Benda Uji Silinder... 74 III.7.1.2. Perencanaan Campuran Benda Uji Balok Beton Bertulang... 75 III.7.2. Persiapan Pembuatan Benda Uji... 76 III.7.2.1. Persiapan Pembuatan Benda Uji Silinder... 76 III.7.2.2. Persiapan Pembuatan Benda Uji Balok Beton Bertulang... 77 III.7.3. Pengecoran Benda Uji... 78 III.7.4. Perawatan Benda Uji... 79 III.7.5. Perkuatan Baja Ringan Profil U TS.40.45... 81 III.8 Pengujian Benda Uji... 82 III.8.1. Pengujian Kuat Tekan Benda Uji Silinder... 82 III.8.2. Pengujian Kuat Lentur Balok Beton Bertulang... 84 III.8.2.1. Pengujian Lendutan Balok Beton Bertulang... 84 III.8.2.2. Pengukuran Regangan Balok Beton Bertulang 86
III.8.2.3. Pengukuran Pola Retak Balok Beton Bertulang 88 III.9 Bagan Alir Percobaan (Flowchart)... 89 BAB IV ANALISIS DAN PEMBAHASAN... 91 IV.1. Pendahuluan... 91 IV.2. Pengujian Slump Test... 91 IV.3. Pengujian Kuat Tekan Benda Uji Silinder... 92 IV.4. Pengujian Kuat Tarik Perkuatan Baja Ringan Profil U... 94 IV.5. Pengujian Benda Uji Balok Beton Bertulang... 96 IV.5.1. Pengujian Lendutan... 96 IV.5.1.1. Pengujian Lendutan Secara Eksperimental... 96 IV.5.1.2. Perhitungan Lendutan Secara Teoritis... 103 IV.5.1.2.1. Balok Beton Bertulang Normal... 103 IV.5.1.2.2. Balok Beton Bertulang Dengan Perkuatan Baja Ringan... 123 IV.5.2. Pengujian Regangan... 151 IV.5.2.1. Balok Beton Bertulang Normal... 151 IV.5.2.2. Balok Beton Bertulang Perkuatan Baja Ringan 155 IV.5.3. Beban Secara Teoritis... 165 IV.5.3.1. Balok Beton Bertulang Normal... 165 IV.5.3.2. Balok Beton Bertulang I Dengan Perkuatan Baja Ringan... 170 IV.5.3.3. Balok Beton Bertulang II Dengan Perkuatan Baja Ringan... 177 IV.5.4. Pola Retak... 181
IV.6. Keterbatasan Fasilitas... 184 IV.7. Akurasi Dari Alat Ukur... 184 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 185 V.1. Kesimpulan... 185 V.2. Saran... 186 DAFTAR PUSTAKA... xx
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 : Perhitungan Lendutan yang Terjadi Pada Beberapa Kondisi Pembebanan... 52 Tabel 3.2 : Persentase Lolos Agregat Halus... 69 Tabel 3.3 : Persentase Lolos Agregat Kasar... 71 Tabel 3.4 : Spesifikasi Baja Ringan Profil U TS.40.45... 73 Tabel 3.5 : Komposisi Rencana Benda Uji Silinder... 75 Tabel 3.6 : Komposisi Rencana Benda Uji Balok Beton Bertulang... 75 Tabel 4.1 : Hasil Slump Test... 92 Tabel 4.2 : Hasil Pengujian Kuat Tekan Silinder Beton... 93 Tabel 4.3 : Hasil Uji Tarik Perkuatan Baja Ringan Profil U... 94 Tabel 4.4 : Hasil Pengujian Lendutan Balok Normal... 97 Tabel 4.5 : Hasil Pengujian Lendutan Balok I Perkuatan Baja Ringan... 99 Tabel 4.6 : Hasil Pengujian Lendutan Balok II Perkuatan Baja Ringan... 101 Tabel 4.7 : Lendutan Berdasarkan Hasil Pengujian dan Lendutan Teoritis Pada Balok Normal... 121 Tabel 4.8 : Lendutan Berdasarkan Hasil Pengujian dan Lendutan Teoritis Pada Balok I Perkuatan Baja Ringan... 144 Tabel 4.9 : Lendutan Berdasarkan Hasil Pengujian dan Lendutan Teoritis Pada Balok II Perkuatan Baja Ringan... 146 Tabel 4.10 : Lendutan Hasil Pengujian dan Teoritis Pada Balok Beton Bertulang... 148 Tabel 4.11 : Hasil Pengujian Regangan Pada Balok Normal... 153
Tabel 4.12 : Hasil Pengujian Regangan Pada Balok I Perkuatan Baja Ringan... 158 Tabel 4.13 : Hasil Pengujian Regangan Pada Balok II Perkuatan Baja Ringan... 160 Tabel 4.14 : Hasil Pengujian Regangan Pada Balok Beton Bertulang... 162 Tabel 4.15 : Data Perbandingan Beban Percobaan Dengan Beban Teoritis Pada Balok Normal... 168 Tabel 4.16 : Data Perbandingan Beban Percobaan Dengan Beban Teoritis Pada Balok I Perkuatan Baja Ringan... 175 Tabel 4.17 : Data Perbandingan Beban Percobaan Dengan Beban Teoritis Pada Balok II Perkuatan Baja Ringan... 179 Tabel 4.18 : Total Panjang Retak... 184
DAFTAR GAMBAR Gambar.1.1 : Perilaku Dalam Kondisi Batas... 5 Gambar.1.2 : Balok Dengan Perkuatan Baja Ringan Profil U... 9 Gambar.1.3 : Baja Ringan Profil U TS.40.45... 9 Gambar.2.1 : Tegangan Normal (Normal Stress) Pada Batang... 17 Gambar.2.2 : Arah Tegangan Normal (Normal Stress) dan Pola Retak Pada Silinder... 18 Gambar.2.3 : Regangan (Strain)... 19 Gambar.2.4 : Kurva Stress-Strain Tipikal Untuk Agregat, Pasta Semen, Mortar dan Beton... 21 Gambar.2.5 : Contoh Kurva Tegangan-Regangan Pada Beton Dengan Berbagai Variasi Kuat Tekan... 22 Gambar.2.6 : Letak Batang-Batang Tulangan Dalam Balok Beton Bertulang. 25 Gambar.2.7 : Diagram Tegangan-Regangan Batang Tulangan Baja... 27 Gambar.2.8 : Penampang Potongan, Diagram Regangan, Diagram Tegangan, Gaya-Gaya... 29 Gambar.2.9 : Distribusi Tegangan-Regangan Pada Penampang Beton Bertulang yang Tidak Mengalami Retak... 31 Gambar.2.10 : Distribusi Tegangan-Regangan Penampang Beton Bertulang Pada Beban Batas... 31 Gambar.2.11 : Isometrik Hubungan Gaya-Gaya Dalam... 33 Gambar.2.12 : Regangan dan Tegangan... 35 Gambar.2.13 : Variasi Letak Garis Netral dengan Perbedaan Jenis Penulangan 36 Gambar.2.14 : Hubungan Beban dan Lendutan... 38
Gambar.2.15 : Idealisasi Hubungan Beban dan Lendutan... 39 Gambar.2.16 : Ragam Keruntuhan Balok... 44 Gambar.2.17 : Jenis Keretakan Pada Balok... 45 Gambar.2.18 : Macam-Macam Struktur Komposit... 50 Gambar.3.1 : Penampang Balok Beton Bertulang Normal... 52 Gambar.3.2 : Pembebanan Balok Beton Bertulang... 55 Gambar.3.3 : Penampang Balok Beton Bertulang Perkuatan Baja Ringan... 56 Gambar.3.4 : Pembebanan Balok Beton Bertulang... 60 Gambar.3.5 : Baja Ringan Profil U TS.40.45... 70 Gambar.3.6 : Cetakan Benda Uji Silinder... 74 Gambar.3.7 : Material Benda Uji... 74 Gambar.3.8 : Cetakan (Bekisting) Benda Uji Balok Beton Bertulang... 75 Gambar.3.9 : Mesin Pengaduk/ Molen... 76 Gambar.3.10 : Perawatan Benda Uji Silinder Dengan Cara Direndam... 78 Gambar.3.11 : Balok Dengan Perkuatan Baja Ringan... 79 Gambar.3.12 : Potongan A-A Balok Dengan Perkuatan Baja Ringan... 79 Gambar.3.13 : Baja Ringan Setelah Dilubangi... 79 Gambar.3.14 : Pengujian Kuat Tekan Benda Uji Silinder... 80 Gambar.3.15 : Benda Uji Setelah Diberi Beban... 81 Gambar.3.16 : Penempatan Beban dan Dial Indikator Pada Balok... 82 Gambar.3.17 : Hydraulic Jack Kapasitas 25 Ton... 83 Gambar.3.18 : Dial Indikator... 83 Gambar.3.19 : Penempatan Beban dan Pembaca Regangan Pada Balok... 84 Gambar.3.20 : Penempatan Tiga Pasang Pointer (Cincin)... 84
Gambar.3.21 : Alat Strain Meter... 85 Gambar.3.22 : Pembagian Segmen Pengamatan Posisi Retak... 85 Gambar.3.23 : Penomoran Segmen Pengamatan Posisi Retak... 86 Gambar.4.1 : Pengujian Slump Test... 89 Gambar.4.2 : Spesimen Baja Ringan Untuk Uji Tarik... 92 Gambar.4.3 : Alat Pengujian Kuat Tarik... 92 Gambar.4.4 : Proses Pengujian Kuat Tarik... 92 Gambar.4.5 : Spesimen Baja Ringan Setelah Diuji Tarik... 93 Gambar.4.6 : Penempatan Pembebanan dan Dial Lendutan... 93 Gambar.4.7 : Pembebanan Terpusat... 101 Gambar.4.8 : Pembebanan Akibat Beban Sendiri Balok... 102 Gambar.4.9 : Pembebanan Terpusat... 121 Gambar.4.10 : Pembebanan Akibat Beban Sendiri Balok... 122 Gambar.4.11 : Penempatan Pembebanan dan Pembaca Regangan Balok... 147 Gambar.4.12 : Pengujian Regangan Balok... 147 Gambar.4.13 : Diagram Regangan Pada Balok Normal Pada Pembebanan 6000 kg... 148 Gambar.4.14 : Penempatan Pembebanan dan Pembaca Regangan Balok... 151 Gambar.4.15 : Pengujian Regangan Balok... 151 Gambar.4.16 : Diagram Regangan Pada Balok I Perkuatan Baja Ringan Pada Pembebanan 7000 kg... 153 Gambar.4.17 : Diagram Regangan Pada Balok II Perkuatan Baja Ringan Pada Pembebanan 7000 kg... 153 Gambar.4.18 : Pola Retak Pada Balok Normal... 176
Gambar.4.19 : Retak Pada Balok Normal Pada Pembebanan 6000 kg... 176 Gambar.4.20 : Pola Retak Pada Balok I Dengan Perkuatan Baja Ringan... 177 Gambar.4.21 : Retak Pada Balok I Perkuatan Baja Ringan Pada Pembebanan 7000 kg... 177 Gambar.4.22 : Pola Retak Pada Balok II Dengan Perkuatan Baja Ringan... 178 Gambar.4.23 : Retak Pada Balok II Perkuatan Baja Ringan Pada Pembebanan 7000 kg... 178
DAFTAR GRAFIK Grafik 4.1 : Hubungan Beban-Lendutan Balok Normal... 95 Grafik 4.2 : Hubungan Beban-Lendutan Balok I Perkuatan Baja Ringan... 97 Grafik 4.3 : Hubungan Beban-Lendutan Balok II Perkuatan Baja Ringan... 99 Grafik 4.4 : Hubungan Beban-Lendutan Hasil Pengujian dan Teoritis Pada Balok Normal... 119 Grafik 4.5 : Hubungan Beban-Lendutan Hasil Pengujian dan Teoritis Pada Balok I Perkuatan Baja Ringan... 142 Grafik 4.6 : Hubungan Beban-Lendutan Hasil Pengujian dan Teoritis Pada Balok II Perkuatan Baja Ringan... 144 Grafik 4.7 : Hubungan Beban-Lendutan Hasil Pengujian Pada Balok Normal dan Balok I, II Perkuatan Baja Ringan... 145 Grafik 4.8 : Hubungan Beban-Lendutan Secara Teoritis Pada Balok Normal dan Balok Perkuatan Baja Ringan... 146 Grafik 4.9 : Hubungan Beban-Regangan Pada Balok Normal... 150 Grafik 4.10 : Hubungan Beban-Regangan Pada Balok I Perkuatan Baja Ringan... 154 Grafik 4.11 : Hubungan Beban-Regangan Pada Balok II Perkuatan Baja Ringan... 156 Grafik 4.12 : Hubungan Beban-Regangan Beton (Ɛc) Pada Balok Normal dan Balok I, II Perkuatan Baja Ringan... 157 Grafik 4.13 : Hubungan Beban-Regangan Tulangan Tarik (Ɛs) Pada Balok Normal dan Balok I, II Perkuatan Baja Ringan... 158
Grafik 4.14 : Hubungan Beban-Regangan Secara Percobaan dan Teoritis Pada Balok Normal... 163 Grafik 4.15 : Hubungan Beban-Regangan Secara Percobaan dan Teoritis Pada Balok I Perkuatan Baja Ringan... 170 Grafik 4.16 : Hubungan Beban-Regangan Secara Percobaan dan Teoritis Pada Balok II Perkuatan Baja Ringan... 174
DAFTAR NOTASI f'ct = Kuat tarik belah beton (MPa) L = Panjang benda uji silinder (cm) D = Diameter benda uji silinder (cm) σ = Tegangan tekan beton (MPa) P = Besar gaya yang diberikan pada silinder (N) A = Luas alas silinder (mm 2 ) N D = Resultan seluruh gaya tekan pada daerah di atas garis netral (N) N T = Resultan seluruh gaya tarik pada daerah di bawah garis netral (N) M R = Momen tahanan (Nmm) z = Jarak antara resultan tekan dan tarik (mm) c = Jarak serat tekan terluar ke garis netral (mm) fy = Tegangan luluh tulangan (MPa) f'c = Kuat tekan beton (MPa) As b = Luas tulangan balok seimbang (mm 2 ) ρ = Rasio Penulangan d = Tinggi efektif balok (mm) b = Lebar balok (mm) β 1 = Konstanta yang merupakan fungsi dari kelas kuat beton N D1 = Resultan gaya tekan yang ditahan oleh beton (N) N D2 = Resultan gaya tekan yang ditahan oleh tulangan baja tekan (N)
N T1 = Resultan gaya tarik pada tulangan tarik akibat beton (N) N T2 = Resultan gaya tarik pada tulangan tarik (N) As 1 = Luas tulangan baja tekan (mm 2 ) As 2 = Luas tulangan baja tarik (mm 2 ) Vn = Gaya geser yang terjadi (N) Vu = Gaya geser dalam yang bekerja (N) Vc = Gaya geser yang bekerja pada beton (N) Vs = Gaya geser yang bekerja pada tulangan (N) Av = Luas tulangan geser (mm 2 ) Es = Modulus elastisitas besi (MPa) Ec = Modulus elastisitas beton (MPa) Δl = Lendutan (mm) SD = Standar deviasi (MPa) Xi = Kekuatan tekan beton dari masing-masing benda uji (MPa) Xrt = Kekuatan tekan beton rata-rata (MPa) I e = Momen inersia efektif (mm 4 ) M a = Momen beban layan maksimum terjadi pada kondisi yang diharapkan (Nmm) I g = Momen inersia penampang (mm 4 ) I cr = Momen inersia transformasi pada penampang retak (mm 4 ) M cr = Momen retak (Nmm) f r = Modulus retak beton (MPa) Ɛ = Regangan (% 0 )