1. PENDAHULUAN • Beton dan bahan-bahan vulkanik sebagai pembentuknya, telah digunakan sebagai bahan bangunan sejak zaman dahulu Penggunaan beton bertulangan dengan lebih intensif baru dimulai pada awal abad ke 19, ini dibuktikan dengan tulisan F. Coignet pada tahun 1801 yang membahas tentang prinsip-prinsip dasar konstruksi beton dan meninjau kelemahan beton terhadap tarik. Pada tahun 1938, teori kekuatan batas mulai dikembangkan di Rusia, dan pada tahun 1956 di Inggris dan Amerika. • Metoda perencanaan campuran beton (admixture) juga terus berkembang untuk mendapatkan beton dengan kuat tekan yang lebih tinggi • Sejalan dengan perkembangan dan kemajuan teknologi beton, banyak negara menerbitkan peraturan dan standarisasi tentang konstruksi beton, antara lain : German Committee for Reinforced Concrete, American Concrete Institute, British Concrete Institute. • Di Indonesia juga terdapat peraturan dan standarisasi yang terus diperbaharui mengikuti perkembangan teknologi beton bertulang, yaitu Peraturan Beton Indonesia 1955, Peraturan Beton Bertulang Indonesia NI-2 1971, yang terakhir adalah Standar SK-SNI T-15-1991-03 Tata Cara Perhitungan Perhitungan Struktur Beton untuk Bangunan Gedung dan akan diperbaharui kembali.
1.1. BETON Beton dibentuk dengan mencampur Portlant Cement (PC) + Agregat halus + Agregat kasar + Air dengan atau tanpa bahan tambah, dengan proporsi masing-masing bahan pembentuk tertentu. Masing-masing bahan pembentuk beton berfungsi sebagai berikut : a. Agregat halus/pasir berukuran < 5 mm dan agregat kasar/kerikil dengan ukuran 5 – 40 mm, baik alami ataupun buatan disebut sebagai bahan susun kasar dan merupakan komponen utama beton (volume ±70%). Kualitas agregat, baik kekuatan, daya tahan, bentuk, kekasaran permukaan, kebersihan dan gradasinya, sangat berpengaruh terhadap kualitas beton yang dihasilkan. b. PC merupakan bahan perekat/pengikat hidraulis yang setelah tercampur air menjadi pasta semen dan mempunyai kekuatan tinggi setelah mengeras. Pasta semen menyelimuti seluruh permukaan butiran agregat dan menjadi perekat antar butiran. Pada umumnya semen yang digunakan untuk bahan bangunan adalah Semen Portland. Semen ini diperoleh dari menghaluskan silikat kalsium yang bersifat hidraulis dan dicampur dengan gips. Terdapat beberapa tipe semen portland, yaitu tipe I, II, III, IV dan tipe V. Semen portland tipe I adalah tipe yang paling banyak digunakan untuk bangunan, sedangkan tipe lainnya dipergunakan untuk keperluan tertentu yang memerlukan persyaratan khusus. c. Air dipergunakan agar terjadi reaksi kimia dengan semen, sehingga terbentuk pasta semen yang membasahi permukaan agregat dan merupakan pelumas campuran agar mudah dikerjakan, dan sebagai perekat antar agregat. Selain itu, air juga berfungsi sebagai pelincir agregat. Air untuk campuran beton harus tidak mengandung minyak dan bahan-bahan lain yang dapat mengurangi kekuatan beton. Jumlah air yang digunakan dinyatakan dalam perbandingan berat air dengan berat semen yang disebut faktor air semen (fas). Beton untuk pekerjaan konstruksi biasanya memilki fas sebesar 0,45 – 0,65. Karena fas sangat berpengaruh terdapat kekuatan beton yang diperoleh, maka fas harus dikontrol dengan ketat. Air yang berlebihan akan menimbulkan banyaknya gelembung air dan bleding setelah proses hidrasi selesai, sedang air yang kurang menyebabkan proses hidrasi kurang baik. Selain itu, karena selama proses pengeringan beton timbul panas hidrasi yang tinggi yang dapat menimbulkan retak-retak pada beton, maka itu diperlukan air untuk membasahi beton agar panas hidrasi berkurang, jadi air juga diperlukan untuk perawatan beton selama proses pengeringan. d. Bahan tambah (admixtures) adalah bahan yang bukan air, agregat ataupun semen yang ditambahkan ke dalam campuran beton saat atau selama pencampuran. Bahan tambah Struktur Beton – I -
1
berfungsi mengubah sifat-sifat beton agar sesuai untuk pekerjaan tertentu, atau menjadi ekonomis, atau untuk tujuan lain. Jumlah bahan tambah umumnya diproporsikan terhadap berat semen. Pemberian bahan tambah tidak boleh berlebihan karena dapat menyebabkan kekuatan tekan beton berkurang atau dapat menyebabkan korosi pada baja tulangan. Jenis bahan tambah dapat dikelompokkan sbb. : • Accelerating admixtures, berfungsi mengurangi waktu pengeringan dan mempercepat tercapainya kekuatan. • Air-entraining, berfungsi membentuk gelembung-gelembung udara dengan diameter ≤ 1 mm selama pencampuran agar memudahkan pengerjaan dan menambah kekuatan awal beton. • Pengurang air dan pengontrol pengeringan, bahan tambah ini berupa cairan. Air yang terkandung dalam bahan tambah merupakan bagian air campuran beton, sehingga kebutuhan air berkurang dan juga kandungan semen yang sebanding dengan pengurangan air. • Penghalus Gradasi, berfungsi untuk memperhalus perbedaan gradasi campuran beton, yaitu dengan memberikan ukuran butiran yang tidak ada atau kurang pada agregat, karena bahan ini berupa mineral, sehingga dapat meningkatkan mutu beton. • Polimer, bahan tambah ini termasuk jenis baru yang menghasilkan beton dengan kekuatan tekan tinggi. Bahan tambah ini digunakan sebagai pengganti air campuran dengan faktor polimer-beton 0,30 – 0,45 untuk mendapatkan beton mutu tinggi. • Superplastisizer, termasuk bahan tambah baru yang berfungsi mengurangi air tetapi nilai slump bertambah sehingga meningkatkan sifat mudah dikerjakan. Mutu beton ditentukan berdasarkan kuat tekannya. Sesuai tingkat mutu beton yang hendak dicapai, perbandingan/komposisi campuran bahan susun beton harus ditentukan (terdapat banyak metoda untuk menentukan komposisi bahan susun beton), agar beton yang dihasilkan memberikan : 1. kelecakan dan konsistensi yang memungkinkan beton mudah dikerjakan (penuangan, pemadatan, perataan) di dalam acuan dan sekitar baja-tulangan tanpa menimbulkan segregasi dan bleeding 2. ketahanan terhadap kondisi lingkungan : kedap air, korosif, kebakaran, dll. 3. memenuhi kekuatan yang direncanakan. Nilai kekuatan serta daya tahan beton (durability) merupakan fungsi dari banyak faktor, antara lain komposisi dan mutu bahan susun, pelaksanaan pengecoran, finishing, temperatur dan perawatan beton. Kuat tekan beton diwakili oleh tegangan tekan maksimum f’c beton dengan satuan MPa (Mega Pascal) pada umur beton 28 hari. Nilai kuat tekan beton dipengaruhi oleh umur beton seperti gambar 1.1 dan tabel 1.1. Kuat tekan beton diperoleh melalui uji tekan standar umumnya mengikuti tata cara ASTM (American Society for Testing Materials) C39-66, dengan menggunakan mesin uji yang memberikan beban yang terus meningkat secara kontinu, dengan kecepatan peningkatan beban tertentu atas benda uji standar. Menurut SK-SNI T-15-1991-03 benda uji standar berupa silinder dengan diameter 150 mm dan tinggi 300 mm. Nilai f’c adalah bukan tegangan saat benda uji silinder hancur, tetapi tegangan maksimum dan umumnya terjadi pada regangan desak beton ε’c = ± 0,002 seperti gambar 1.2. Nilai f’c akan berkurang dengan bertambahnya regangan setelah regangan yang memberikan tegangan maksimum, sampai benda uji hancur pada regangan ε’c = 0,003 - 0,005. SK-SNI T-15-1991-03 menetapkan regangan desak hancur beton sebesar ε’cu = 0,003. Kuat tekan beton yang umum dipergunakan berkisar 10 – 65 MPa, dan saat ini telah dibuat beton dengan kuat tekan > 100 MPa. • Untuk pekerjaan struktur beton bertulang, umumnya digunakan beton dengan kuat tekan 17 – 35 MPa, • untuk struktur beton prategang digunakan beton dengan kuat tekan > 35 MPa. • Sedangkan beton dengan kuat tekan ≤15 MPa digunakan untuk pekerjaan nonstruktural. Di Indonesia masih banyak digunakan benda uji selain silinder sehingga diperlukan faktor konversi seperti pada tabel 1.2.
Struktur Beton – I -
2
Gambar 1.2 : Hubungan Kuat Tekan dengan umur beton
Tabel 1.1 : Perbandingan Kuat Beton Umur Beton ( hari )
3
7
14
21
28
90
365
PC biasa
0,40
0,65
0,88
0,95
1,00
1,20
1,35
PC dengan kekuatan awal tinggi
0,55
0,75
0,90
0,95
1,00
1,15
1,20
Tabel 1.2 : Angka Konversi Benda Uji Beton
Benda Uji
Faktor Konversi
Silinder 150 x 300 mm
1,00
Kubus 150 x 150 mm
0,80
Kubus 200 x 200 mm
0,83
Sesuai dengan perkembangan teknologi beton saat ini, dimana penggunaan beton ringan makin meluas. Maka untuk penetapan nilai Modulus Elastisitas Beton ( Ec ), digunakan rumus empiris yang menyertakan kerapatan (density)/berat beton, dan menurut SK-SNI :
Struktur Beton – I -
3
E c = 0,043 w 1c,50 f ' c
dimana Ec = modulus elastisitas beton tekan (MPa) wc = berat isi beton (kg/m3) - (1500 - 2500 kg/m3) f’c = kuat tekan beton (MPa) Untuk beton kepadatan normal (berat isi ± 23 kN/m3), nilai modulus elastisitas : E c = 4700 f ' c
Beton mempunyai kuat tarik yang rendah, berkisar 9 -15 % dari kuat tekannya, nilai kekuatan tekan dan tarik beton tidak berbanding lurus, setiap peningkatan kuat tekan beton hanya memberikan sedikit peningkatan kuat tariknya. Nilai kuat tarik beton sulit ditentukan, suatu pendekatan yang umum dilakukan adalah menggunakan suatu nilai yang disebut modulus of rupture ( fr ), yaitu tegangan tarik lentur beton yang timbul pada pengujian hancur balok beton polos (tanpa tulangan), sebagai kuat tarik beton sesuai teori elastisitas. Untuk beton normal, nilai modulus rupture : fr = 0,70 f 'c Kuat tarik beton dapat juga ditentukan melalui pengujian split cilinder (pecah belah silinder). Benda uji silinder diletakkan pada arah memanjang diatas alat penguji, dan ditekan. Kuat tarik beton :
ft =
2P π.L.D
Dalam penggunaan beton sebagai komponen struktur, beton diperkuat dengan batang bajatulangan sebagai bahan yang dapat bekerja sama dengan beton, serta mampu memperbaiki kelemahan beton terutama dalam menahan gaya tarik. Beton Bertulang merupakan beton yang diperkuat batang baja-tulangan. Kedua komponen ini saling bekerja sama dalam menahan gaya-gaya yang terjadi : • beton diperhitungkan (hanya) menahan gaya tekan • batang baja-tulangan diperhitungkan menahan gaya tarik, kemudian berkembangan dengan tujuan meningkatkan kemampuan komponen struktur, batang baja-tulangan sering juga dipergunakan bersama-sama beton untuk menahan gaya tekan. Kerjasama antara beton dengan batang baja-tulangan dapat terwujud karena : a. lekatan yang sempurna antara batang baja-tulangan dengan beton yang membungkusnya sehingga tidak terjadi penggelinciran / slip b. beton yang membungkus batang baja-tulangan bersifat kedap, sehingga mampu melindungi dan mencegah terjadinya karat pada baja-tulangan c. angka muai beton : 0,000010 - 0,000013 dan angka muai baja : 0,000012. Kedua bahan ini mempunyai angka muai relatif sama besar, sehingga tegangan yang terjadi karena perbedaan suhu dapat diabaikan. Konsekuensi dari lekatan yang sempurna antara beton dengan batang baja-tulangan, maka pada beton didaerah tarik akan mengalami retak-retak halus/rambut dekat batang bajatulangan, ini disebabkan tegangan tarik pada titik tersebut sudah melampaui tegangan tarik beton. Retak halus yang demikian dapat diabaikan.
Struktur Beton – I -
4
1.2. BAJA-TULANGAN Sifat fisik baja-tulangan yang penting diketahui untuk perhitungan struktur beton-bertulang adalah tegangan luluh/leleh ( fy ) dan modulus elastisitas ( Es ) Tegangan luluh ditentukan dari pengujian tarik baja, yaitu titik dimana penambahan regangan tidak disebabkan peningkatan tegangan. Dalam perencanaan atau analisis struktur beton bertulangan, nilai fy ditentukan terlebih dahulu berdasarkan hasil pengujian atau spesifikasi pabrik.
Gambar 1.4 : Tegangan dan Regangan Uji Tarik Baja Modulus Elastisitas baja ditentukan berdasar kemiringan awal kurva tegangan-regangan didaerah elastis, dimana untuk berbagai mutu baja, perbedaan kemiringan ini tidak begitu berarti, dan SK-SNI menetapkan nilai Es = 200000 MPa. Untuk memenuhi persyaratan agar lekatan antara baja-tulangan dengan beton dapat berlangsung dengan baik, selain batang polos berpenampang bulat (BJTP), digunakan juga batang deformasian (BJTD), yaitu batang tulangan yang permukaannya dikasarkan secara khusus / diberi sirip teratur dengan pola tertentu. BJTP digunakan untuk diameter tulangan ≤ 12 mm, umumnya sebagai tulangan pengikat, sengkang atau spiral.
Gambar 1.5 : Baja-Tulangan Deformasian/Ulir (BJTD) Tabel 1.3 : Sifat Mekanik Baja-Tulangan Simbol BJTP-24 BJTP-30 BJTD-24 BJTD-30 BJTD-35 BJTD-40 BJTD-50
Tegangan Leleh Tegangan Tarik minimum minimum N/mm2 N/mm2 24 30 24 30 35 40 50
39 49 39 49 50 57 63
Perpanjangan minimum (%) 20 16 18 14 18 16 12
Struktur Beton – I -
5
Tabel 1.4 : Baja-Tulangan ( SII 0136-80 )
Deform
Diameter nominal (mm)
Luas Penampang nominal (mm2)
Berat nominal (kg/m')
6 8 10 12 16 18 19 20 22 25 28 29 32 36
6.00 8.00 10.00 12.00 16.00 18.00 19.00 20.00 22.00 25.00 28.00 29.00 32.00 36.00
28.3 50.3 63.6 113.1 201.1 254.5 283.5 314.2 380.1 490.9 615.7 660.5 804.3 1,017.9
0.222 0.396 0.499 0.888 1.580 2.000 2.230 2.470 2.980 3.850 4.830 5.190 6.310 7.990
Baja-Tulangan Polos 6 8 10 12 16 18 19 20 22 25 28 32
1.3. PERSYARATAN KEKUATAN Tujuan perencanaan struktur adalah untuk mendapatkan struktur yang aman terhadap bebanbeban atau efek beban-beban yang bekerja selama masa penggunaan bangunan. Karena itu diperlukan pengetahuan tentang beban-beban yang bekerja, yaitu beban mati, beban hidup, angin, gempa, dll. Bila intensitas dan efek beban yang bekerja dapat diketahui dengan pasti, maka struktur dapat dibuat aman, dengan cara memberikan kapasitas kekuatan yang sedikit lebih besar. Akan tetapi, sering dirasakan adanya ketidak-pastian, baik ketika menentukan beban-beban yang akan bekerja, maupun kekuatan struktur dalam menahan beban tersebut. Ketidakpastian karena variabilitas penampilan struktur dapat disebabkan oleh tidak seragamnya kekuatan dan kekakuan beton yang diakibatkan mutu material yang tidak seragam, kualitas pelaksanaan, variasi dimensi elemen struktur, geometri struktur, penempatan tulangan, dan efek-efek lain yang merugikan. Untuk mengatasi hal tersebut, digunakan faktor keamanan atau angka keamanan, yang menjamin bahwa kapasitas struktur sedikit lebih besar dari beban-beban yang bekerja. Angka keamanan dapat didefinisikan sebagai rasio beban yang dapat menimbulkan keruntuhan terhadap beban kerja. Penerapan faktor/angka keamanan disatu pihak bertujuan untuk mengendalikan kemungkinan terjadinya keruntuhan bangunan yang membahayakan, di lain pihak juga harus memperhitungkan faktor biaya. Kekuatan yang dibutuhkan suatu komponen struktur untuk menahan beban berfaktor yang bekerja dengan berbagai kombinasi efek beban disebut Kuat Perlu. Kuat perlu U suatu struktur harus dihitung dengan beberapa kombinasi beban yang mungkin bekerja pada struktur tersebut. Beban berfaktor atau beban rencana didapat dengan mengalikan beban kerja dengan faktor beban yang sesuai. Suatu struktur dapat dijamin keamanannya dengan cara memberikan kapasitas kekuatan atau kuat rencana yang sedikit lebih besar dari berbagai kombinasi efek beban yang bekerja. Kuat rencana diperoleh dari mengalikan kuat nominal dengan faktor reduksi kekuatan (φ) yang nilainya lebih kecil dari satu. Kuat nominal diperoleh dengan meninjau kekuatan teoritis. Faktor Keamanan yang disyaratkan oleh SK SNI T-15-1991-03 dapat dikelompokkan dalam dua bagian, yang faktor beban dan faktor reduksi kekuatan. Faktor Beban adalah suatu faktor yang nilainya lebih besar dari satu guna menaikkan beban kerja untuk menjaga terjadinya beban yang sedikit lebih besar dari beban yang direncanakan, penerapannya sebagai berikut :
Struktur Beton – I -
6
1. kombinasi beban mati + beban hidup Kuat perlu U = 1,2 D + 1,6 L ............................................................................... 2. kombinasi dengan beban angin U = 0,75 ( 1,2 D + 1,6 L + 1,6 W ) ......................................................................... atau U = 0,9 D + 1,3 W ................................................................................................. Kuat perlu U dari (2) atau (3) tidak boleh kurang dari (1) 3. kombinasi dengan beban gempa U = 1,05 ( D + LR ± E ) ......................................................................................... atau U = 0,90 ( D ± E ) ................................................................................................... 4. kombinasi dengan tekanan tanah U = 1,2 D + 1,6 L + 1,6 H ....................................................................................... 5. kombinasi dengan beban khusus U = 0,75 ( 1,2 D + 1,2 T + 1,6 L ) ............................................................................ tetapi tidak lebih besar dari U = 1,2 ( D + T ) ..................................................................................................... dengan :
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8)
D = beban mati L = beban hidup W = beban angin E = beban gempa LR = beban hidup direduksi H = beban akibat tekanan tanah T = beban khusus, yaitu : - perbedaan penurunan - rangkak - perubahan suhu - susut - dll
Contoh, beban rencana terbagi-rata untuk kombinasi beban hidup dan beban mati, adalah : wu = 1,2 wD + 1,6 wL sedang momen perlu atau momen rencana untuk kombinasi beban tersebut adalah : Mu = 1,2 MD + 1,6 ML Faktor reduksi kekuatan ( φ ), dimaksudkan untuk memperhitungkan pengaruh kekuatan bahan, pengerjaan, ketidaktepatan ukuran, pengendalian dan pengawasan pelaksanaan, yang tergantung pada mekanisme / sifat beban, sbb. : • lentur murni ................................................................................. • beban aksial & beban aksial dengan lentur • aksial tarik tanpa atau dengan lentur .................................... • aksial tekan tanpa atau dengan lentur • sengkang .......................................................................... • spiral ................................................................................ • geser dan torsi ............................................................................ • tumpuan pada beton ...................................................................
φ = 0,80 φ = 0,80 φ = 0,65 φ = 0,70 φ = 0,60 φ = 0,70
Dengan demikian, dapat dinyatakan bahwa Kuat Momen yang digunakan MR (kapasitas momen) sama dengan Kuat Momen Ideal/Nominal Mn dikalikan dengan faktor φ MR = φ Mn
Struktur Beton – I -
7
