...

ujianto

by user

on
Category: Documents
1

views

Report

Comments

Description

Transcript

ujianto
Jurnal eco REKAYASA, Vol. 2, No. 2, September 2006
LENDUTAN DAN KEKAKUAN BALOK BETON BERTULANG DENGAN
LUBANG SEGI EMPAT DI BADAN
Muhammad Ujianto
Staf Pengajar Jurusan Teknik Sipil, FT-UMS
ABSTRAKSI
Balok sebagai salah satu elemen struktur mempunyai fungsi yang sangat penting, yaitu menahan beban beban
diatasnya berupa beban plat lantai, beban hidup, beban mati dan berat sendiri balok. Untuk mengakomodasi kebutuhan
akan tersedianya fasilitas utilitas dari mekanikal dan elektrikal maka dibuat lubang segi empat menembus badan balok.
Pembuatan lubang segi empat dibadan balok beton bertulang akan mengurangi luasan beton sehingga akan mengurangi
kekuatan dalam menahan beban. Pengurangan luas tersebut menuntut analisis yang baik sehingga dapat direncanakan
sebuah balok berlubang yang mampu menahan beban-beban rencana, pelaksanaan serta ketika struktur dalam keadaan
existing. Dalam penelitian ini dibuat 5 buah benda uji terdiri dari 1 buah balok beton bertulang tampang T tanpa lubang
dan 4 buah benda uji balok beton bertulang tampak T dengan lubang segi empat. Pengujian dilakukan dengan beban titik
di tengah bentang berupa beban statik dan beban siklik sampai balok mengalami runtuh. Penelitian ini mempelajari
lendutan dan kekakuan balok beton bertulang dengan lubang segi empat yang mensimulasikan beban statik dan siklik.
Hasil pengujian benda uji BTL dengan beban pra retak 24,52 kN menghasilkan lendutan 0,798 mm dan kekakuan 30,73
kN/mm, sedangkan pada beban maksimum 70,81 kN lendutan sebesar 4,335 mm dan kekakuannya sebesar 16,33 mm.
Hasil pengujian lendutan terbesar balok berlubang terjadi pada benda uji BL-01 sebesar 8,98 mm dengan kekakuan 9,80
kN/mm.
Kata kunci; lendutan, kekakuan, balok, lubang
PENDAHULUAN
Pada konstruksi bangunan modern berlantai
banyak, umumnya saluran utilitas ditempatkan pada
bagian langit-langit. Dalam perkembangannya ada
upaya menempatkan pipa-pipa air, pemanas ruangan,
duct AC, saluran telepon dan kelistrikan melalui
lubang (opening) yang dibuat menembus bagian
badan balok. Penempatan saluran utilitas ke dalam
lubang (opening) pada balok, akan mengurangi tinggi
lantai bangunan karena ruang kosong diatas langitlangit tidak ada dan hasilnya memberikan pengaruh
yang sangat berarti dalam mengurangi berat sendiri
struktur sehingga membuat bangunan lebih kompak
dan ekonomis.
Struktur bangunan dengan balok berlubang di
badan harus mampu menahan beban termasuk beban
fatigue yang disebabkan oleh getaran mesin. Pada
bangunan industri, balok-balok mendukung beban
lantai yang menerima tekanan hidraulik dari pompa
maupun mesin yang menyebabkan struktur menerima
getaran dengan amplitudo yang tinggi serta
kemungkinan adanya resonansi. Balok-balok tersebut
juga banyak digunakan pada bangunan industri
ringan, seperti industri chip komputer, yang sangat
sensitif terhadap eksitasi getaran.
Penempatan lubang pada bagian badan balok
beton bertulang akan menimbulkan konsentrasi
tegangan pada tepi lubang, mengurangi kekakuan
balok dan menyebabkan respon struktur menjadi
52
lebih rumit. Oleh karena itu, pengaruh pembuatan
lubang terhadap kuat ultimit dan perilaku beban
layan
balok
harus
diperhitungkan
dalam
perancangan. Meskipun peraturan beton SNI-03XXXX-2002 membolehkan untuk menempatkan
saluran, pipa, dan selubung yang terbuat dari material
yang tidak berbahaya bagi beton dengan persetujuan
perencana struktur dengan syarat bahan-bahan
tersebut tidak dianggap menggantikan secara
struktural bagian beton yang dipindahkan, namun
peraturan tersebut belum secara khusus menjelaskan
detail perancangannya
Berdasarkan latar belakang yang ada dan
melihat kenyataan bahwa penggunaan struktur beton
di lapangan masih merupakan salah satu alternatif
bahan konstruksi yang penting dan diminati, maka
diperlukan penelitian untuk memahami degradasi
balok akibat adanya lubang (lendutan dan kekakuan).
STUDI PUSTAKA
Perilaku beton terhadap beban siklik
Beton merupakan bahan yang kuat terhadap
tekan tetapi lemah terhadap tarik. Akibat beban
gempa yang bersifat siklik, beton terbebani oleh
tekan dan tarik. Kemampuan tarik beton biasanya
tidak diperhitungkan dalam setiap proses analisis
struktur terhadap beban gempa, bahkan tampang
elemen struktur beton sering dianggap hanya
berfungsi sebagian (75% inersia tampang utuh).
Lendutan dan Kekakuan Balok Beton Bertulang………………….(M. Ujianto)
Kemampuan tarik beton dapat ditingkatkan dengan
pemasangan sengkang yang lebih rapat, sehingga
meningkatkan kemampuan geser dan memaksakan
struktur rusak oleh lentur (kerusakan daktail/liat).
Pada keadaan elemen struktur mencapai
tegangan leleh, bila jumlah sengkang cukup maka
retak tarik oleh lentur pada beton umumnya sudah
cukup lebar, yang diikuti oleh retak-retak mengelupas
pada bagian tekan (spalling). Keadaan ini berbeda
dari elemen struktur yang jumlah sengkangnya tidak
cukup. Keretakan geser akan mendominasi yang
diawali oleh retak lentur dan diikuti oleh retak geser
berupa retak miring yang semakin melebar.
Perilaku baja terhadap beban siklik
Baja lunak dan sedang memiliki sifat yang
baik terhadap beban siklik/gempa karena dapat
menunjukkan sifat daktilitas yang cukup melalui
proses pelelehan. Pelelehan pada baja dapat meredam
getaran gempa dan menyerap energi sehingga proses
dissipasi pada struktur dapat berlangsung dengan
baik. Baja mutu tinggi mempunyai sifat daktilitas
yang lebih rendah dan cenderung getas karena kadar
karbon di dalamnya cukup tinggi. Proses
pembebanan berulang (siklik) sampai mencapai titik
leleh oleh beban gempa menyebabkan perubahan
molekul yang pada proses pembebanan berikutnya
menyebabkan kenaikan titik leleh hingga 20-25 %,
namun di sisi lain beban siklik mengurangi daktilitas
yang ditunjukkan oleh berkurangnya daerah leleh
sebelum baja mengalami strain hardening.
maksimum pengujian sedangkan lendutan diambil δy
saat struktur leleh.
Kekakuan
Kekakuan untuk struktur merupakan suatu
yang penting. Pembatasan kekakuan berguna untuk
menjaga konstruksi agar tidak melendut lebih dari
lendutan yang disyaratkan. Kekakuan didefinisikan
sebagai gaya yang diperlukan untuk memperoleh satu
unit displacement. Nilai kekakuan merupakan sudut
kemiringan dari hubungan antara beban dan lendutan.
Makin kaku suatu struktur makin besar nilai
kekakuannya.
Menurut Kenneth-Belanger (1981), kekakuan
balok beton merupakan fungsi dari modulus elastis
(E) dan momen inersia (I). Inersia saat balok belum
retak dipergunakan Ig, setelah mengalami retak
dipergunakan Icr, sedang nilai momen inersia efektif
aktual disebut Ie yang nilainya diantara Ig dan Icr.
Pengertian tersebut dapat dilihat dari perilaku beban
–lendutan statik pada gambar 2.6.
P
B
C
P
D
A
∆
O
E
∆
Gambar 2 Perilaku beban-lendutan (Keneth-Belanger,
1981)
Daktilitas
Daktilitas merupakan kemampuan dari suatu
struktur untuk mengalami lendutan yang besar
sebelum mengalami keruntuhan, seperti ditunjukkan
dalam gambar 1.
Beban
Perilaku daktail
P
Perilaku getas
δy
δv
δu Lendutan
Gambar 1 Diagram beban-lendutan
balok beton bertulang
Dengan nilai displacement ductility factor µ
= δu/δy Pada uji lentur balok, nilai δu diambil dari
grafik hubungan beban-lendutan saat terjadinya
penurunan pembebanan sampai 15% dari beban
Lintasan OABC merupakan lintasan beban siklik
awal, slope OA adalah Eig, retak terjadi didekat A,
slope BC kekakuan menurun dibanding OA, dengan
beban relatif sedikit mengakibatkan lendutan besar,
ini adalah Eis. Slope OC adalah Ie, lintasan CDE
merupakan pembalikan beban yang menurunkan
slope, lendutan serta “penutupan” retak.
Lendutan
Satu hal yang penting dari struktur beton
bertulang adalah masalah lendutan yang terjadi akibat
beban yang bekerja. Struktur beton bertulang yang
mengalami lentur harus direncanakan agar
mempunyai kekakuan yang cukup untuk membatasi
lendutan yang mungkin memperlemah kekuatan
maupun kemampuan layan struktur pada beban kerja.
Berkaitan dengan hal tersebut, bila bentang
panjang maka lendutan akan besar. Untuk
memperkecil lendutan biasanya dengan memperbesar
kekakuan penampang (EI).
53
Jurnal eco REKAYASA, Vol. 2, No. 2, September 2006
Secara mekanika hubungan lendutan (υ),
kekakuan penampang (EI) dan momen lentur (M)
adalah:
d 2υ M
=
dx 2 EI
(1)
Dengan persamaan differensial, persamaan
diatas dapat dicari nilai lendutan di tengah bentang.
Lendutan untuk balok yang ditumpu oleh tumpuan
sederhana dengan beban terpusat di tengah bentang
adalah:
δ = υ max =
PL3
48 × EI
(2)
Pada
dasarnya
untuk
menghindari
keruntuhan, lendutan yang terjadi dibatasi oleh
lendutan ijin maksimum, yaitu tidak boleh lebih besar
dari
L
240
METODE PENELITIAN
Benda Uji
Pada penelitian ini dibuat lima buah benda uji
berupa balok tampang T dengan skala geometri 1:2
dan skala bahan 1:1 untuk mempelajari pengaruh
bentuk dan ukuran lubang akibat beban mesin berupa
beban siklik. Kapasitas geser balok dirancang
berdasarkan persyaratan SNI T15-1991-03.
Benda uji berupa balok T berukuran 325 mm x
175 mm panjang bentang 2000 mm dengan tulangan
longitudinal 4∅9,72 untuk bagian atas dan 4∅9,72
untuk bagian bawah. Ukuran dan detail penulangan
benda uji dapat dilihat pada tabel 1 dan gambar 3,
gambar 4.
Benda uji dibuat menggunakan beton ready
mix yang diproduksi oleh PT. Jaya Alam Sarana
Beton Yogyakarta dengan perbandingan bahan
semen, agregat halus, dan agregat kasar adalah 1 :
1,45 : 2,44 dengan ukuran agregat maksimum 10
mm. Kuat tekan benda uji silinder pada umur 28 hari
adalah 22,64 MPa dengan modulus elastis
22363,2833 MPa. Secara keseluruhan baja tulangan
bersifat daktail dan tulangan ∅6 memiliki diameter
terukur rata-rata 5,5 mm dengan kuat leleh 314,03
MPa. Sementara tulangan ∅10 memiliki diameter
terukur rata-rata 9,72 mm dengan kuat leleh 410,4
MPa.
Tabel 1. Detail benda uji
Nama
Lo
benda uji (mm)
BTL
BL-01
100
BL-02
200
BL-03
100
BL-04
200
Do
(mm)
100
100
100
100
Db
(mm)
150
150
400
400
1000
P
S
(mm)
φ5,5-120
φ5,5-120
φ5,5-120
φ5,5-120
φ5,5-120
so
(mm)
φ5,5-40
φ5,5-40
φ5,5-40
φ5,5-40
Pembebanan
beban Jumlah
siklik 100000
siklik 100000
siklik 100000
siklik 100000
siklik 100000
945
A
60
4Ø10
200
A
2000
S
Dia.
bar
3φ9,72
3φ9,72
3φ9,72
3φ9,72
325
200
175
POT A-A
Gambar 3 Detail penulangan benda uji BTL
1000
P
A
945
B
945
60
D0
200
D0
325
A
S0
2000
B
150
4Ø10
200
175
L0
POT B-B
Gambar 4 Detail penulangan benda uji BL
54
175
POT A-A
Lendutan dan Kekakuan Balok Beton Bertulang………………….(M. Ujianto)
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hubungan beban-retak
Beban retak awal statik balok ini dapat
dikontrol dengan perhitungan taraf praretak. Segmen
praretak dari kurva beban-lendutan pada dasarnya
berupa garis lurus yang memperlihatkan perilaku
elastis penuh. Daerah praretak berhenti pada saat
dimulainya retak awal, dimana tegangan beton
mencapai kekuatan modulus rupture (Nawy, 1985).
Beban retak awal akibat beban siklik benda uji
BTL terjadi pada siklus ke 83500, sedangkan beban
retak awal akibat beban statik sebesar 25,57 kN
terjadi pada kondisi balok mengalami tekan. Pola
retakan yang terjadi pada first crack untuk benda uji
BTL berupa retak lentur dengan arah tegak lurus
sumbu utama balok pada permukaan bagian bawah
balok. Kapasitas beban hasil pengujian dapat dilihat
pada tabel 2. Beberapa faktor keterbatasan alat dan
set up pengujian mempengaruhi beban yang dapat
diterima benda uji balok.
Beban (P)
daerah praretak
Pengukuran yang dilakukan pada benda uji
berupa pengukuran defleksi balok dan pengukuran
regangan tulangan. Untuk mengukur defleksi
dipasang 3 buah LVDT pada tengah bentang dan
seperempat bentang.
Pembebanan yang diberikan pada benda uji
berupa beban siklik dengan jumlah siklus 100000 dan
beban statik diberikan pada siklus ke 0, 25000,
50000, dan 75000. Setelah siklus mencapai 100000
benda uji balok diberikan beban statik sampai runtuh
dilakukan dua tahap, tahap pertama adalah load
controlled dilakukan sampai terjadi first crack yang
ditandai dengan tidak liniernya (terjadi kemiringan)
kurva beban-lendutan. Tahap kedua dilakukan
displacement controlled setelah terjadi kemiringan
pada kurva beban-lendutan dengan kelipatan 1 mm
sampai balok runtuh.
Pembebanan siklik tipe sinusoidal dilakukan
dengan menggunakan alat Closed Loop Dynamic
Testing System atau Multi Purpose Testing System
(MTS). Metode yang digunakan adalah load
controlled, yakni dengan cara benda uji balok beton
diberi beban maksimum-minimum tertentu serta
jumlah siklus tertentu. Dan oleh keterbatasan
kemampuan alat, serta modifikasi sistem pengujian
yang cukup rumit, maka pengujian ini hanya
dilakukan pada 100000 siklik dengan frekuensi 5 Hz
dan
beban
minimum
diambil
dengan
memperhitungkan pembebanan yang setara dengan
berat sendiri balok sebesar 4,6 kN serta beban
maksimum 16 kN diambil dari 50% beban yang
menyebabkan first crack (analitis). Dalam bentuk
grafik, pembebanan siklik dapat dilihat pada gambar
4.
Pengamatan yang dilakukan saat pengujian
adalah berupa pola retak, defleksi, dan regangan
tulangan. Untuk mengamati defleksi yang terjadi,
digunakan tiga buah LVDT yang masing-masing
dipasang pada setengah bentang (LVDT 2) dan
seperempat bentang (LVDT 1 dan 3). Sementara
strain gauges dipasang pada benda uji BL-01 dan
BL-04 masing-masing sebanyak empat buah. Untuk
pembacaan defleksi dan regangan, LVDT dan strain
gauges dihubungkan dengan data logger (untuk
menyimpan data).
daerah
pascatarik
daerah
baja luluh
Lendutan (∆)
Gambar 5. Hubungan beban-lendutan balok (Nawy, 1985)
Penurunan beban retak awal akibat beban
yang bekerja untuk masing-masing benda uji BL-01,
BL-02, BL-03, BL-04, berturut-turut adalah sebesar
16,97%, 14,23%, 15,33%, 37,62%. Fenomena lain
yang dapat dilihat dari hasil pengujian adalah
kecenderungan beban maksimum yang menurun
sejalan dengan besarnya lubang. Kemungkinan
penurunan ini disebabkan berkurangnya luasan
penampang balok, juga riwayat beban siklik
sinusoidal yang diberikan.
Tabel 2. Kapasitas beban hasil pengujian
Benda
uji
BTL
BL-01
BL-02
BL-03
BL-04
Beban
retak
pertama
(kN)
25,57
21,23
21,93
21,65
15,95
Beban
maksimum
(kN)
70,81
88,01
80,52
84,00
72,50
Hubungan beban-defleksi
a. Daktilitas. Dari gambar grafik hubungan
beban-lendutan, dapat dilihat bahwa daktilitas balok
tidak dapat dihitung karena keterbatasan data. Hal ini
disebabkan pada saat pengujian beban statik tidak
tercapai beban runtuh. Padahal untuk menghitung
55
Jurnal eco REKAYASA, Vol. 2, No. 2, September 2006
daktilitas dibutuhkan data beban pada saat 85% Pmaks
setelah melewati beban maksimum. Untuk jelasnya
dapat dilihat pada gambar 5.
No
90
1
2
3
4
5
80
Beban (kN)
70
60
BTL
50
40
BL-01
30
BL-02
20
BL-03
10
0
0,000
BL-04
-2,000 -4,000 -6,000 -8,000 -10,000
Lendutan (mm)
Gambar 6. Grafik beban-lendutan benda uji balok
b. Kekakuan. Hasil dari penelitian
memperlihatkan bahwa hingga sebelum taraf retak,
kekakuan balok berlubang relatif sama. Kemudian
memasuki daerah retak awal kekakuan balok
berlubang meningkat untuk lubang yang lebih besar.
Meningkatnya kekakuan juga untuk lubang yang
sama besar tetapi posisi lubang semakin jauh dari
tumpuan. Untuk lebih jelasnya Kenaikan kekakuan
dapat dilihat pada Tabel 3.
No
1
2
3
4
5
Tabel 3a. Kekakuan benda uji balok
Benda
Pra retak
Uji
Beban Defleksi
Kekakuan
(kN)
(mm)
(kN/mm)
BTL
24,52
0,798
30,73
BL-01
19,50
0,648
30,09
BL-02
19,89
0,660
30,14
BL-03
19,43
0,540
35,98
BL-04
13,57
0,345
39,33
Tabel 3b Kekakuan benda uji balok
Benda
Maksimum
Uji
Beban
Defleksi
Kekakuan
(kN)
(mm)
(kN/mm)
BTL
70,81
4,335
16,33
BL-01
88,01
8,980
9,80
BL-02
80,52
7,660
10,51
BL-03
84,00
8,330
10,08
BL-04
72,50
4,380
16,55
Pada beban praretak kenaikan kekakuan
benda uji uji BL-02 terhadap benda uji BL-01 adalah
sebesar 0,16 %, sedangkan kenaikan kekakuan benda
uji Bl-04 terhadap benda uji BL-03 adalah sebesar
8,52 %.
Sedangkan pada beban maksimum kenaikan
kekakuan benda uji BL-02 terhadap benda uji BL-01
adalah sebesar 6,76 %, sedangkan kenaikan kekakuan
benda uji Bl-04 terhadap benda uji BL-03 adalah
sebesar 39,08 %.
KESIMPULAN
1.
2.
3.
4.
5.
Lendutan terbesar beban pra retak pada balok
berlubang terjadi pada benda uji BL-01(lubang
100x100) sebesar 0,648 mm
Lendutan terbesar beban maksimum pada balok
berlubang terjadi pada benda uji BL-01 (lubang
100x100) sebesar 8,98 mm
Terdapat kecenderungan kenaikan kekakuan antara
balok dengan lubang ukuran 100 x 100 mm
dibandingkan balok dengan lubang ukuran 200 x 100
mm. Demikian juga antara lubang dengan dimensi
sama tetapi letaknya jauh dari tumpuan.
Kenaikan kekakuan pada beban praretak benda uji
BL-02 terhadap benda uji BL-01 adalah sebesar
0,16% sedangkan kenaikan kekakuan benda uji BL-04
terhadap benda uji BL-03 adalah sebesar 8,52%.
Kenaikan kekakuan pada beban maksimum benda uji
BL-02 terhadap benda uji BL-01 adalah sebesar
6,7648 %, sedangkan kenaikan kekakuan benda uji
BL-04 terhadap benda uji BL-03 adalah sebesar
39,0789 %.
Dari data yang dibaca strain gauge pada benda uji BL01 dan BL-04 pertambahan regangan mengalami
kenaikan sebesar 31,1131%.
DAFTAR PUSTAKA
Abdalla, Hany, Kennedy, and John B., Dynamic Analysis of Prestressed Concrete Beams with Openings,
Journal of Structural Engineering, V. 121, No. 7, July 1985, pp. 1058-1068.
ACI Committee 318, 1995, Building Code Requirements for Structural Concrete, 5420 Old Orchard Road,
Skokie, Illinois, Portland Cement Association.
Departemen pekerjaan Umum, 1991, SK SNI T-15-1991-03, Tata Cara Perhitungan Struktur Beton untuk
Bangunan Gedung, Bandung
56
Lendutan dan Kekakuan Balok Beton Bertulang………………….(M. Ujianto)
Dipohusodo, I., 1996, Struktur Beton Bertulang : Berdasarkan SK SNI T-15-1991-03 Departemen Pekerjaan
Umum RI, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta.
Mansur, M. A.,Tan, K. H., and Lee, S. L., Design Method for Reinforced Concrete Beams with Large Web
Openings, ACI Structural Journal, V. 82, No. 4, July-August 1985, pp. 517-524.
Mansur, M. A.,Huang, L. M., Tan, K. H., and Lee, S. L., Deflection of Reinforced Concrete Beams with Web
Openings, ACI Structural Journal, V. 89, No. 4, July-August 1992, pp. 391-397.
Nawy, E. G., 1995, Reinforced Concrete – A Fundamental Approach, 3rd edition, Prentice Hall, New Jersey.
Park, R., and Paulay, T., 1975, Reinforced Concrete Structures, John Wiley & Sons. Inc., New Jersey.
Suhendro, B., 2000, Analisis Dinamik Struktur, Bahan Kuliah, Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik,
Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.
Suhendro, B., 2000, Teori Model Struktur dan Teknik eksperimental, Beta Offset, Yogyakarta.
Pool, Richard B., Lopes, and Rogerio, Cyclically Loaded Concrete Beams with Openings, ACI Journal, V. 83,
September – October 1986, pp. 757-763.
57
Fly UP