DESAIN PERKUATAN ELEMEN BALOK, KOLOM, DAN HUBUNGAN BALOK-KOLOM PADA BANGUNAN
GEDUNG PINEWOOD APARTMENT JATINANGOR
STRENGTHENING DESIGN OF BEAMS ELEMENTS,
COLUMNS, AND BEAM-COLUMN JOINTS IN
PINEWOOD APARTMENT BUILDING JATINANGOR Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan pendidikan Diploma III Program Studi Konstruksi Gedung Jurusan Teknik Sipil
oleh : TANTYO GUNARDHI INDRA PRASTI NIM: 08101029 PURWADI PUTRA
NIM: 091111025
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2012
i
ii
iii
ABSTRAK
Ketika pekerjaan konstruksi bangunan Pinewood Apartemen mencapai 90% dari
pekerjaan total, pemilik memutuskan untuk menambah jumlah lantai dari 19 lantai menjadi 21 lantai. Dalam studi ini, Fiber-Reinforced Polymer (FRP) adalah material yang digunakan untuk perkuatan struktur eksisting. Properti material FRP yang
digunakan memiliki modulus elastisitas
MPa dan regangan ultimite
230 GPa, tegangan ultimit
4900
0,021. Desain perkuatan awal, dimulai dengan
perkuatan lentur pada balok. Kapasitas momen balok meningkat hingga 49% akibat pemasangan FRP dengan luas penampang
17 mm². Kapasitas geser balok
meningkat hingga 32% akibat pemasangan FRP dengan luas penampang mm² dan jarak antara FRP untuk perkuatan geser balok dengan tebal
34
150 mm. Instalasi FRP
0,34 mm pada kolom dalam studi ini dapat meningkatkan
kapasitas tekan beton hingga 18% karena efek kekangan yang diberikan FRP. Namun peningkatan tersebut akan berubah tergantung pada rasio lebar dan tinggi penampang kolom. Kata Kunci: Perkuatan, Balok, Kolom, Hubungan Balok-Kolom, Fiber-Reinforced Polymer.
iv
ABSTRACT
When construction work of Pinewood Apartment building reached 90 % of the total
work, the owner decided to add the number of the floor from 19 levelss to be 21 levels. In this study, Fiber-Reinforced Polymer (FRP) was the material which was used for structure existing retrofitting. The material properties of FRP which was
used have a modulus of elasticity
MPa and ultimate tensile strain
230 GPa, ultimate tensile strength
4900
0.021. The previous retrofitting design was
started by retrofitting the bending of beam. The capacity of beam was increased up to 49% due to the installation of FRP with a broad of cross section of
17 mm².
Shear capacity of beam was increased up to 32% due to the installation of FRP with a cross-sectional area of beam
34 mm² and distance between FRP to shear retrofitting
150 mm. Installation of FRP with thick
0,34 mm that is used on the
column in this study could increase capacity of concrete’s pressure up to 18% due to the effect of confinement that given. However, this increase will change depends on the ratio of width and height cross-section of the column. Keywords: Retrofitting, Beam, Column, Beam-Column joint, Fiber-Reinforced Polymer.
v
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL
LEMBAR PENGESAHAN ABSTRAK………………………………………………………………………… i
ABSTRACT…………………………………….……………..…………………... ii
KATA PENGANTAR………………………………………...…………………... iii
DAFTAR ISI………………………………………………………………………. v DAFTAR GAMBAR……………………………………………………………… ix DAFTAR TABEL..................................................................................................
xiii
DAFTAR NOTASI………………………………………………………………..
xiv
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang…………………………………………………………. I-1 1.2 Rumusan Masalah……………………………………………………… I-2 1.3 Maksud dan Tujuan…………………………………………………….. I-2 1.4 Ruang Lingkup…………………………………………………………. I-3 1.5 Sistematika Penulisan………………………………………………….. I-4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pendahuluan……………………………………………………………
II-5
2.2 Analisis Struktur Sistem Rangka Pemikul Momen Khusus (SRPMK)... II-5 2.2.1 Faktor Reduksi Kekuatan………………………………………… II-5 2.2.2 Asumsi dan Perancangan………………………………………… II-6 2.2.2.1 Analisis kapasitas lentur balok persegi…………………... II-6 2.2.2.2 Analisis kapasitas lentur balok T……………………….... II-8 2.2.2.3 Persyaratan tulangan lemtur balok………………….
II-12
2.2.2.4 Analisis kapasitas geser balok…………………………… II-12 2.2.2.5 Persyaratan kuat geser balok…………………………….
vi
II-14
2.2.3 Analisis Elemen Struktur Kolom………………………………… II-15
2.2.3.2 Pembesaran momen rangka portal tak bergoyang………. II-17 2.2.3.3 Pembesaran momen rangka portal bergoyang…………... II-18 2.2.3.4 Analisis kapasitas kolom menggunakan diagram
2.2.3.1 Pengaruh kelangsingan………………………………….. II-15
interaksi…………………………………………………. II-20
2.2.3.5 Hubungan-hubungan gaya pada diagram interaksi……... II-24
2.2.3.6 Analisis biaxial bending menggunakan metoda Bressler. II-26 2.2.3.7 Analisis geser kolom……………………………………. II-28 2.2.3.8 Persyaratan kuat geser kolom…………………………… II-31 2.2.5 Hubungan Balok-Kolom Pada SRPMK……………………….....
II-32
2.3 Perkuatan Menggunakan Fiber Reinforced Polymer (FRP)…………… II-34 2.3.1 Faktor Reduksi Kekuatan……………………………………….. II-35 2.3.2 Perkuatan Lentur Balok Menggunakan FRP……………………. II-35 2.3.3 Pemasangan FRP untuk Perkuatan Lentur Balok……………….. II-38 2.3.4 Perkuatan Geser Balok………………………………………….. II-40 2.3.5 Perkuatan Elemen Struktur Kolom…………………………….... II-41 2.4 Detail Perkuatan Menggunakan FRP………………...................……… II-43 2.5 Teori Kerusakan dan Perbaikan Beton Bertulang……………………… II-44 2.5.1 Kerusakan Beton Bertulang……………………………………... II-45 2.5.2 Perbaikan Beton Bertulang…………………………………….... II-46 2.5.2.1 Syarat bahan perbaikan…………………………………
II-46
2.5.2.2 Metode perbaikan………………………………………
II-47
2.6 Fiber Reinforced Polymer (FRP)………………………………………. II-49 2.6.1 Perkuatan Elemen Struktural Menggunakan FRP……………… . II-49 2.6.2 Faktor Keamanan FRP………………………………………….. . II-49 2.6.3 Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Sifat FRP…………………. . II-50 2.6.3.1 Pengaruh uap air………………………………………… II-50
vii
2.6.3.2 Pengaruh temperatur....………………………………….. II-50
2.6.3.3 Pengaruh ultraviolet (UV)……………………………..... II-51
BAB III METODOLOGI
3.1 Umum………………………………………………………………….. III-52 3.2 Studi Literatur dan Pengumpulan Data………………………………… III-53 3.3 Analisis Penampang dan Perkuatan Elemen Struktur Eksisting……….. III-54
3.3.1 Analisis Penampang dan Perkuatan Balok Eksisting…………….. III-54
3.3.2 Analisis Penampang dan Perkuatan Kolom Eksisting…………… III-58 3.3.3 Analisis Penampang dan Perkuatan Hubungan Balok-Kolom ….. III-60
BAB IV ANALISIS DAN PERKUATAN STRUKTUR 4.1 Elemen Struktur Balok…………………………………………………. IV-61 4.1.1 Data Gaya-Gaya Dalam Balok…………………………………… IV-61 4.1.2 Analisis Momen Kapasitas Tumpuan Balok……………………... IV-63 4.1.3 Perkuatan Balok Eksisting Menggunakan Fiber Reinforced Polymer (FRP)……………………………………….. IV-68 4.1.3.1 Perhitungan
………………………………………... IV-75
4.1.3.2 Perhitungan
………………………………………... IV-79
4.1.3.3 Persyaratan perbandingan kuat lentur pada tumpuan……. IV-81 4.1.3.4 Pemasangan FRP untuk perkuatan lentur balok.... …….
IV-84
4.1.4 Analisis dan Perkuatan Geser Balok…………………………....... IV-85 4.1.4.1 Analisis geser balok…………………………………........ IV-85 4.1.4.2 Perhitungan tulangan geser balok menggunakan FRP…..
IV-91
4.2 Elemen Struktur Kolom……………………………………………....... IV-94 4.2.1 Data Gaya-Gaya Dalam Kolom………………………………….. IV-94 4.2.2 Analisis Kapasitas Aksial dan Lentur Kolom……………………. IV-95 4.2.3 Perkuatan Kolom Menggunakan Fiber Reinforced Polymer (FRP) IV-102 4.2.3.1 Perhitungan momen rencana kolom…………………......
IV-102
4.2.3.2 Kuat tekan beton terkekang akibat FRP……………
IV-109
viii
4.2.3.3 Analisis perkuatan kolom………………………………... IV-113
4.2.3.4 Perbandingan kuat lentur minimum kolom………………
4.2.4 Analisis dan Perkuatan Geser Kolom……………………………... IV-123 4.2.4.1 Perhitungan gaya geser rencana kolom…………………….. IV-123
IV-120
4.2.4.2 Analisis kapasitas geser kolom…………………………….. IV-125 4.3 Analisis Kapasitas Hubungan Balok-Kolom…………………………... IV-128
4.3.1 Analisis kapasitas hubungan balok-kolom Lantai 8…….............. IV-128
3.3.2 Analisis kapasitas hubungan balok-kolom Lantai 9……..............
IV-134
BAB V PENUTUP 5.1 Simpulan…………………………………...…………………………..
V-139
5.2 Saran.........……………………………………………………………..
V-141
DAFTAR PUSTAKA……………………………………………………………... xviii DAFTAR LAMPIRAN…………………………………………………………... LAMPIRAN
ix
xx
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Faktor reduksi lingkungan
kondisi terekspos…………………………………………………...
untuk berbagai jenis sistem FRP dan
Tabel 4.1 Data gaya-gaya dalam balok………………..………………………. IV-61 Tabel 4.2 Momen nominal penampang sebelum dilakukan perkuatan……….
IV-67
Tabel 4.3 Momen kapasitas balok terhadap momen negatif setelah perkuatan
IV-74
II-50
Tabel 4.4 Momen plastis balok tumpuan (
)……………………………..
IV-78
Tabel 4.5 Momen plastis balok tumpuan (
)……………………………..
IV-81
Tabel 4.6 Perbandingan kuat lentur balok wilayah tumpuan…………………
IV-82
Tabel 4.7 Perbandingan kuat lentur balok tumpuan setelah perkuatan pada (
)………………………………………………………………
IV-83
Tabel 4.8 Daftar balok yang menggunakan aplikasi pemasangan type 1 ……
IV-84
Tabel 4.9 Daftar balok yang menggunakan aplikasi pemasangan type 2 ……
IV-85
Tabel 4.10 Gaya geser rencana balok
IV-90
………………………………….......
Tabel 4.11 Perkuatan geser balok …………………………………………........
IV-93
Tabel 4.12 Data gaya-gaya dalam kolom ……………..........................………
IV-94
Tabel 4.13 Momen ultimite kolom yang didapat dari jumlah momen plastis balok yang di distribusi pada kolom ………………………............ Tabel 4.14 Beban-beban yang bekerja pada kolom eksisting…………………..
IV-120
Tabel 4.15 Kapasitas kolom eksisting setelah dilakukan perkuatan……………
IV-120
Tabel 4.16 Kuat lentur kolom berdasarkan tegang tarik 1,25
…......................
IV-120
Tabel 5.1 Identitas balok yang dilakukan pembesaran dimensi terlebih dahulu
IV-139
x
IV-109
DAFTAR NOTASI
= Luas penampang (
)
= Luas FRP ditinjau terhadap tulangan lentur (
)
= Luas FRP ditinjau terhadap tulangan geser (
)
= Luas penampang bruto (
)
= Luas tulangan tarik (
)
= Luas tulangan tekan ( = Luas tulangan total (
) )
= Lebar penampang (mm) = Lebar efektif balok T (mm) = Jarak garis netral terhadap sisi tekan beton terluar (mm) = Gaya tekan yang diberikan beton (KN) = Faktor reduksi FRP terhadap lingkungan = Faktor yang menghubungkan diagram momen aktual dengan suatu diagram momen merata ekuivalen = Gaya tekan yang diberikan baja tulangan (KN) D
= Diameter tulangan (mm) = Tinggi efektif penampang beton ditentukan dari sisi tekan terluar hingga titik berat tulangan tarik (mm) = Tinggi FRP yang dipasang pada perkuatan geser (mm) = Jarak dari sisi tekan beton terluar ke titik berat tulangan tekan (mm) = Jarak dari sisi tekan beton terluar ke tulangan ke-i (mm) = Eksentrisitas penampang kolom (mm) = Modulus elastisitas beton
(MPa)
= Modulus elastisitas FRP (MPa)
xi
= Modulus elastisitas baja (MPa)
= Kuat tekan beton (MPa)
= Kuat tekan beton terkekang (MPa)
= Tegangan leleh efektif FRP sebelum terjadi keruntuhan (MPa)
= Tegangan leleh ultimite FRP didapat dari spesifikasi material (MPa)
= Tegangan leleh ultimite dikalikan dengan faktor reduksi lingkungan, (MPa)
= Tekanan pasif lateral akibat balutan FRP (MPa)
= Tegangan baja tulangan (MPa) = Tegangan leleh baja (MPa) = Tinggi penampang (mm) = Momen inersia balok ( = Momen inersia kolom (
) )
= Momen inersia pecah ditransformasikan dalam beton (
)
= Rasio kedalaman sumbu netral untuk kedalaman tulangan diukur pada sisi yang sama dari sumbu netral = Panjang bentang (mm) = Panjang bentang bebas balok (mm) = Panjang bentang bebas kolom (mm) = Momen ujung terfaktor yang lebih kecil pada komponen tekan (KNm) = Momen ujung terfaktor yang lebih besar pada komponen tekan (KNm) = Momen nominal penampang (KNm) |
| = Momen plastis arah positif kolom/balok (KNm)
|
| = Momen plastis arah negatif kolom/balok (KNm) = Momen akibat beban yang menimbulkan goyangan ke samping (KNm) = Momen ultimite yang terjadi (KNm) = Jumlah lapis FRP yang digunakan
xii
= Kuat tekan aksial (KN) = Kuat tekan aksial kolom pada kondisi tekan aksial konsentris (KN)
= Gaya tekan aksial ultimite (KN)
= Gaya tekan aksial kritis (KN) = Jari-jari girasi = Radius sudut FRP (mm)
= Jarak antar sengkang (mm)
= Jarak antar sengkang FRP (mm)
= Tebal FRP, didapat dari spesifikasi material produk (mm) = Gaya tarik yang diberikan baja tulangan (KN) = Gaya tarik yang diberikan FRP (KN) = Torsi ultimite yang terjadi (KNm) = Tebal pelat lantai (mm) = Kuat gaya geser yang diberikan beton (KN) = Gaya geser rencana (KN) = Kuat geser yang diberikan akibat pemasangan FRP terhadap geser (KN) (KN)
= Gaya geser akibat gravitasi.
= Kuat geser nominal penampang (KN) = Kuat geser yang diberikan oleh sengkang (KN) = Gaya geser ultimite yang terjadi (KN) = Lebar FRP yang digunakan (mm) = Beban gravitasi
(KN/m)
= Sudut FRP yang dipasang sebagai sengkang (°) = Faktor distribusi tegangan = Rasio dari beban tetap aksial tekan terfaktor maksimum terhadap beban aksial terfaktor maksimum dari kombinasi beban yang saman = Tingkat regangan beton akibat momen lentur
xiii
= Tingkat regangan beton pada saat pemasangan FRP = Modulus elastisitas beton
= Modulus elastisitas beton terkekang
= Regangan tekan beton = Regangan FRP = Regangan efektif FRP
= Regangan pecah perkuatan FRP
= Regangan pecah FRP yang didapat dari spesifikasi material
= Regangan baja = Faktor reduksi kapasitas penampang = Faktor efisiensi kekuatan FRP = Koefisien ikatan FRP dengan beton = Rasio FRP = Rasio tulangan longitudinal terhadap luas penampang yang terkekang = Rasio tulangan longitudinal terhadap luas penampang = Faktor reduksi kuat geser yang diberikan FRP = Faktor pembesaran momen untuk rangka portal bergoyang = Faktor pembesaran momen rangka portal tak bergoyang = Jumlah seluruh beban vertikal terfaktor pada tingkat yang ditinjau (KN) = Jumlah seluruh kapasitas tekan kolom-kolom yang bergoyang pada tingkat yang ditinjau (KN)
xiv
DAFTAR PUSTAKA
ACI Committee 440. (2002) ACI 440.2R-02 Guide for the Desidn and Construction
of Externally Bonded FRP System for Strengthening Concrete Structures,
(TT) : American Concrete Institute.
ACI-ASCE Committee 352 (2002) ACI 352R-02 Recommendations for Design of
Beam-Coulumn
Connections
in
Monolithic
Reinforced
Concrete
Structures, (TT) : American Concrete Institute. Badan Standardisasi Nasional. (2002). SNI 03-2847-2002, Tata Cara Perhitungan Struktur Beton Untuk Bangunan Gedung. Bandung : Badan Standar Nasional. Budiono, Bambang. (2003). Seismic Design For A 12-Story Frame-Shear Wall Building. Training of Trainers, 29-31 Desember 2003 dan 5-6 Januari 2004. Christiawan, Ignatius., Triwiyono, Andreas dan Christady, Hary. (2008). Evaluasi Kinerja dan Perkuatan Struktur Gedung Guna Alih Fungsi Bangunan. Forum Teknik Sipil, No.XVIII, pp.725-738. Januar S, Johanes dan Triwiyono, Andreas. (2003). Perkuatan Beton Bertulang dengan Carbon Fiber Jacket. Jurnal Teknik Sipil, Vol.3, No.2, pp.129-140. Kaul, Rajeev., Sri Ravindrarajah, R. dan Smith, Scott.T. (2006). Deformational Behaviour of FRP Confined Concrete Under Sustained Compression. 3rd International Conference on FRP Composites in Civil Engineering (CICE 2006), 13-15 Desember 2006, Miami, Florida, USA. Mander, J.B., Priestley M.J.N dan Park R. (1988). Theoretical Stress-Strain Model for Confined Concrete. Journal of Structural Engineering. pp. 1802-1826.
xv
Moran, Domingo A dan Pantelides, Chris P. (2007). Diagonal Stress-Strain Model
For FRP-Confined Rectangular Concrete Columns.University of Patras. Patras, Greece.
Moran, Domingo A dan Pantelides, Chris P. (2011). Displacement-Based Design of FRP Jackets For The Plastic Hinge Confinement of Reinforced Concrete
Columns. University of Patras. Patras, Greece. Nawy, Edward G., (1998). Beton Bertulang: Suatu Pendekatan Dasar, terjemahan
Bambang Suryoatmono, Bandung: PT. Refika Aditama.
Pampanin, Stefano., Bolognini, Davide dan Pavese, Alberto. (2007). PerformanceBased Seismic Retrofit Strategy for Existing Reinforced Concrete Frame Systems Using Fiber Reinforced Polymer Composites. Journal of Composites for Construction, Maret-April 2007. Purwono R, Tavio dan A Rosyidah. (2009). Peningkatan Daya Dukung dan Daktilitas Balok Beton Bertulang Dengan Menggunakan Perkuatan CFRP. Jurnal Dinamika Teknik Sipil, vol.9, No.1, pp.9-18. Ramakrishna, R.V.S. dan Ravindra, V. (2012). Experimental Investigation on Rehabilitation of Reinforced Cement Concrete Interior Beam-Column Joints Using CFRP and GFRP Sheets. International Journal of Engineering Science and Technology (IJEST), Vol.4, No.03, pp.874-881. Ranap N, Pio. (2008). Panjang Penyaluran Carbon Fiber Pada Perkuatan Struktur Balok Beton di Daerah Tumpuan. Tesis Pasca Sarjana UI. Depok. Saenz, N dan Pantelides, Chris P. Strain-Based Design Model for FRP Confined Concrete Columns. pp.1011-1019. Sari R, Rahmita. (2011) Perencanaan Struktur Gedung Tahan Gempa. Diktat Kuliah. Bandung.
xvi
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran I
Lampiran II
Lampiran III
Lampiran IV
Kelengkapan Administrasi 1.
Surat keterangan siap sidang
2.
Formulir asistensi
3.
Formulir revisi penguji
4.
Formulir daftar hadir sidang TA
Gambar Struktur 1.
Denah perkuatan kolom
2.
Detail perkuatan kolom
3.
Denah kolom eksisting
4.
Detail kolom eksisting
5.
Denah balok Lt.6 - 10
6.
Detail balok Lt.6 - 10
Data Gaya-gaya Dalam 1.
Denah penempatan ID balok dan kolom
2.
Data nilai gaya dalam untuk balok
3.
Data nilai gaya dalam untuk kolom
Analisis Struktur Eksisting 1.
Analisis momen kapasitas balok eksisting
2.
Analisis kapasitas kolom eksisting
xvii
Lampiran V
Analisis Struktur Dengan Pembesaran Dimensi
1.
Analisis momen kapasitas balok
2.
Analisis kapasitas kolom pembesaran dimensi
Lampiran VI
Perkuatan Struktur Menggunakan FRP 1.
Spesifikasi produk Material yang digunakan
2.
Perkuatan lentur balok
3.
Perhitungan momen plastis balok
4.
Perkuatan geser balok
5.
Perhitungan Perkuatan kolom (Alternatif 1)
Lampiran VII
Perkuatan Kolom Menggunakan FRP Tanpa Pembesaran Dimensi
Lampiran VIII
Gambar 3D Aplikasi Perkuatan Menggunakan FRP
xviii
