JURNAL TEKNIK SIPIL USU Analisa Lendutan Balok Beton Bertulang Dengan Variasi Diameter Tulangan Berbeda Dan Letak Tulangan Berbeda Namun Luas Penampang Tetap Sama Dengan Cara Teoritis Dan Simulasi Program FEA Yogi Rikardo Pakpahan1 dan Torang Sitorus2 Mahasiswa Departemen Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara, Jl. Perpustakaan No. 1 Kampus USU Medan Email:
[email protected] 2 Staff Pengajar Departemen Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara, Jl. Perpustakaan No. 1 Kampus USU Medan 1
ABSTRAK Balok merupakan salah satu bagian elemen struktur yang berfungsi menerima beban yang ada. Karena dibebani, komponen struktur tersebut pasti memiliki reaksi terhadap beban yang bekerja, contohnya saja balok beton bertulang, jika dibebani maka akan mengalami lendutan yang besarnya tergantung dari besarnya beban yang diberikan dan material balok beton bertulang itu sendiri. Dan jika beban melampaui batas kekuatan balok beton bertulang tersebut maka lendutan tersebut semakin besar dan akhirnya terjadi retak pada daerah balok beton bertulang yang mengalami tarik. Selain anlisa teoritis ada beberapa cara untuk menganalisa lendutan balok beton bertulang dan salah satunya adalah metode finite element. Tugas akhir ini menyajikan hasil analisa terhadap 2 (dua) buah balok beton bertulang yang memiliki dimensi sama yaitu 400 mm x 800 mm, dan memiliki luas tulangan tarik yang sama namun diameter tulangan berbeda. Type pertama menggunakan 16 16 dan type kedua 4 32. Analisa lendutan dilakukan dengan dua metode yaitu secara teoritis dan menggunakan program berbasis elemen hingga. Hasil yang diperoleh adalah Dengan luas tulangan yang sama, Balok Type II memiliki momen nominal/momen layan serta beban P yang lebih besar yaitu 425,3 kNm dan 99 kN, sedangkan balok type I memiliki momen nominal/momen layan serta beban P yang lebih besar yaitu 417,5 kNm dan 97 kN. Berdasarkan rangkaian analisis dan perhitungan mengenai perilaku lendutan beton bertulang, menurut SNI03-2847-2002 dan simulasi program Abaqus/CAE membuktikan bahwa dengan beban yang sam balok Type II memiliki lendutan yang lebih kecil dibandingkan balok Type I. Sehingga bisa dikatakan bahwa Diameter dan letak tulangan mempengaruhi kemampuan balok menahan beban lentur yang ada Kata kunci : Beton bertulang, lendutan, finite element, tulangan, tinggi efektif, inertia efektif, momen kritis ABSTRACT Beams is one part of the structural elements that function to receive the existing load. Being burdened, the structural components must have had a reaction to the work load, for example, only reinforced concrete beams, if saddled it will undergo a deflection which depends on the magnitude of the applied load and material reinforced concrete beam itself. And if the load exceeded the strength of reinforced concrete beams, the deflection is greater and eventually cause cracks in reinforced concrete beams areas experiencing attraction. In addition to theoretical analysis there are several ways to analyze the deflection of reinforced concrete beams and one of them is the finite element method. This final project presents the analysis of two (2) pieces of reinforced concrete beams which have the same dimensions of 400 mm x 800 mm and has a tensile reinforcement same area but different diameter of reinforcement. The first type uses 16 16 and second type 4 32. Deflection analysis done by two methods that are theoretically and using finite element-based program. The results are the same broad reinforcement, Beams Type II has a nominal torque / moment of serviceability and load larger P is 425.3 kNm and 99 kN, the beam type I has a nominal torque / moment of serviceability and load larger P namely 417.5 KNM and 97 kN. Based on the circuit analysis and calculation of the deflection behavior of reinforced concrete, according to SNI 03-2847-2002 and simulation program Abaqus / CAE prove that the burden sam beam deflection Type II has a beam that is smaller than Type I. That is to say that the diameter and beam reinforcement layout affects the ability of the existing resist bending loads Keywords: concrete beam, deflection/deformation, finite element, reinforced, high efective, efctive inertia, critical momen 1. 1
2. PENDAHULUAN 2.1 Latar Belakang Penggunaan material beton sebagai material bangaunan sangat dominan dibandingkan material lain dalam industry konstruksi. Keunggulan beton yang memiliki kekuatan dan kekakuan tinggi, muarah, dan mudah dibentuk menjadikannya pilihan material dalam dunia konstruksi. Selain memiliki keunggulan seperti diatas, material ini memiliki beberapa kekurangan antara lain, lemah dalam menahan gaya tarik. Beton merupakan material yang sangat kuat menahan gaya tekan tetapi lemah terhadap gaya tarik. Maka dari itu, material beton dalam struktur dikombinasikan dengan material yang kuat menahan tarikan. Dilapangan, beton sering dikomposisisikan dengan material baja tulangan sebagai upaya untuk meningkat kan kemampuan struktur beton menahan tarik. Karena hal ini jugalah maka perlu dilakukan terus menerus study mengenai beton, khususnya beton bertulang, agar suatu strukur tersebut dapat memikul beban yang direncanakan. Komponen-komponen struktur gedung yang terbuat dari beton bertulang misalnya pondasi, kolom, plat lantai dan balok. Setiap komponenkomponen struktur tersebut akan menahan beban rencana yang diberikan.Karena dibebani, komponen struktur tersebut pasti memiliki reaksi terhadap beban yang bekerja, contohnya saja balok beton bertulang, jika dibebani maka akan mngalami lendutan yang besarnya tergantung dari besarnya beban yang diberikan dan material balok beton bertulang itu sendiri. Dan jika beban melampaui batas kekuatan balok beton bertulang tersebut maka lendutan tersebut semakin besar dan akhirnya terjadi retak pada daerah balok beton bertulang yang mengalami tarik. Selain alasan-alasan diatas, lendutan dan retak pada balok beton bertulang dipengaruhi oleh besi tulangan yang ada pada balok tersebut. Besi tulangan memang dipasang untuk menambah kekuatan balok beton untuk menahan gaya tarik yang terjadi. Oleh karena itu jumlah dan besarnya diameter besi tulangan mempengaruhi besar kecilnya lendutan dan besar kecilnya panjang dan lebar retak. Maka perlu dikaji lebih lanjut seberapa besar pengaruh dari besi tulangan tersebut terhadap lendutan dan retak balok beton bertulang tersebut, mengunakan teori-teori yang sudah ada. Karakteristik atau perilaku beton pada umumnya diperoleh dari pengujian eksperimental di laboratorium. Pengujian ini akan mendapatkan gambaran mengenai respon struktur berdasarkan keaadan nyata. Namun demikian semua informasi belum tentu didapatkan karena keterbatasan alat dan metode pengujian. Seiring dengan majunya perkembangan teknologi komputer, studi numerik menjadi salah satu cara untuk mendapatkan informasi yang tidak dapat diperoleh dari studi eksperimental dan salah satu metode numerik yang digunakan adalah metode elemen hingga (finite element method) dan ada beberapa program-progam simulasi analisis FEA ( Finite Element Analysis ) seperti ANSYS, ATENA, NASTRAN, HYPERMESH, ABAQUS, dan lainlain 2.2 Perumusan masalah Bagaimana menghitung lendutan balok beton bertulang dengan teori yang ada dalam hal ini menggunakan rumus-rumus Sesuai SNI-03-2847-2002 Bagaimana menganalisa simulasi perilaku lendutan balok beton bertulang pada program FEA (Finite Element Analysis ) Bagaimana pengaruh lendutan beton bertulang yang berbeda ukuran diameter dan letak besi tulangan tetapi luas penampang tulangan tetap sama. 2.3 Tujuan dan Manfaat Penulisan Menganalisa perilaku lendutan balok beton bertulang dengan teori yang ada dalam hal ini menggunakan rumus-rumus Sesuai SNI-03-2847-2002 Menganalisa simulasi perilaku lendutan balok beton bertulang pada program FEA ( Finite Element Analysis ) Mengidentifikasi pengaruh lendutan beton bertulang yang berbeda ukuran diameter besi tulangan tetapi luas penampang tulangan tetap sama. Manfaat dari pembahasan ini adalah dapat menganalisa perilaku dan mengidentifikasi pengaruh lendutan beton bertulang yang berbeda ukuran diameter dan letak besi tulangan tetapi luas penampang tulangan tetap sama, dan pemahaman penggunaan aplikasi computer dalam identifikasi sifat mekanik beton, sehingga bisa menjadi referensi tambahan dalam perencanaan struktur nantinya. 2.4 Pembatasan Masalah Dengan mempertimbangkan efisiensi waktu dalam penulisan tugas akhir ini, maka dilakukan pembatasan masalah sebagai berikut : Lendutan yang dianalisa adalah akibat beban lentur murni yaitu dua beban terpusat statis. Perletakan atau tumpuan balok adalah sendi-roll. Struktur beton bertulang ditinjau dalam system tiga dimensi. Balok yang ditinjau masih dalam keadaan elastis.. Peraturan yang
2
digunakan sebagai pedoman adalah peraturan SNI 03-2847-2002 Tata Cara Perhitungan Struktur Beton Untuk Bangunan Gedung.. 3. METODOLOGI 2.1 Filosofi Pendesainan Metode yang digunakan dalam penulisan dan penyusunan tugas akhir ini adalah berupa study literatur, dengan mengumpulkan bermacam-macam teori dan pembahasan melalui buku-buku, peraturan Standar Nasional Indonesia (SNI), dan panduan dari American Concrete Institute (ACI), serta jurnal-jurnal yang berkaitan dengan permasalahan yang dibahas. Kemudian, dilakukan pemilihan mutu bahan, serta jenis dan dimensi penampang untuk besi tulangan komponen struktur balok beton bertulang yang akan digunakan. Untuk selanjutnya, dilakukan analisa dan perhitungan terhadap kebutuhan jumlah tulangan, berdasarkan acuan SNI 03-2847-2002. Hasil perencanaan dan perhitungan yang diperoleh nantinya yaitu luas besi tulangan yang dibutuhkan, akan digunakan untuk menentukan beberapa variasi diameter besi tulangan dan jumlah besi tulangan yang akan digunakan. Dan dilakukan analisa lendutan dari balok beton bertulang yang memiliki variasi diameter berbeda tersebut. Simulasi program FEA dilakukan sebagai perbandingan dari hasil perhitungan dan dituangkan dalam grafik. Secara garis besar, tahapan metodologi penelitian ini dapat digambarkan sebagai berikut : 2.2 Tahapan Analisa 2.2.1 Analisa Penampang Pada Taraf Praretak
n=Es/Ec 2Ø32
nAs'
y
Pusat Berat
d
h=80
nAs
16Ø16
b=40 Gambar 2.1. Penampang Transformasi belum retak pada penampang Menentukan titik berat penampang pada tahap pra-retak
(
) (
)
(
)
(
)
Menentukan Inertia Penampang transformasi (
)
(
)
(
)
(
)
(
)
Menentukan Momen retak √
3
2.2.2 Analisa Penampang Pada Taraf Pascaretak
n=Es/Ec
yc
2Ø32
c
nAs' Garis Netral
d
h=80
ys nAs
16Ø16
b=40 Gambar 2.2. Contoh Penampang Transformasi retak pada penampang Menentukan letak garis netral penampang yaitu: (
)
( ) Menentukan momen inertia penampang retak , yaitu (
)
(
)
(
)
(
)
(
)
Sehingga diperoleh Momen Inertia efektif , yaitu : (
)
[
(
) ]
2.2.3 Analisa Abaqus/CAE A. Modul Geometri (Part) Menggambar geometri, dilakukan pada module part. Terdapat lima part yang perlu digambar untuk menyelesaikan permasalahan ini, yaitu: Tabel 1.1 Type Part Nama Part
Type
Balok
Solid Ekstrusion
Pembeban
Solid Ekstrusion
Support
Solid Ekstrusion
Tulangan Pokok
Wire planar
Sengkang
Wire planar
Gambar 2.3. Menu pada Modul Part 4
B. Modul Property Mendefenisikan material, mendefenisikan section dan menga aplikasiakannya ke dalam part yang telah dibuat terdapat pada modul ini. Terdapat tiga material dan lima section yang perlu didefenisikan. Tabel 1.2 Material dan Section Part Nama Part Material Balok Beton Pembeban Baja Solid Support Baja Solid Tulangan Baja Tulangan Pokok Sengkang Baja Tulangan
Section Solid Homogen Solid Homogen Solid Homogen Truss Truss
Gambar 2.4. Menu pada Modul Property C. Modul Assembly Setiap part yang sudah terdefenisi akan dirakit satu persatu
Gambar 2.5. Menu pada Modul Assembly 5
D. Modul Step Pada modul ini analisys step diciptakan dan kemudian dikonfigurasikan. Selain itu output request juga dapat dikonfigurasikan disini sesuai kebutuhan
Gambar 2.6. Menu pada Modul Step E. Modul Interaction Pada modul ini interksi mekanik dan termal antara daerah-daerah dari model atau antar daerah model dan lingkungannya didefinisikan Tabel 1.3 Constraint masing-masing Instance Nama Nama Instance Constraint Instance I II Balok Pembeban Tie Balok Tulangan Embedded Region Support Balok Tie Point Load Pembeban Coupling
Gambar 2.7. Menu pada Modul Interaction F. Modul Load Pemberian beban diberikan pada modul ini, yaitu beban terpusat kearah sumbu 2 atau melawan gravitasi.
Gambar 2.8. Menu pada Modul Load
6
G. Modul Mesh Pada modul ini tersedia tools yang bertujuan menciptakan mesh elemen hingga pada assembly yang telah dibuat. Besarnya mesh diambil 0.1. H. Modul Job Pada modul ini analisis model dilakukan dan dimonitor
Gambar 2.9. Menu pada Modul Job I.
Modul Visualization Informasi hasil yang dikeluarkan sesuai dengan informasi output yang diminta yaitu output request pada modul step.
2.3 Prosedur Perencanaan Garis besar prosedur perencanaan dalam menganalisa sambungan, dapat dilihat pada bagan di bawah ini :
Gambar 2.10. Bagan Alir Metode Penelitian
7
2.4 Data Perencanaan Dalam penyajian bahasan mengenai analisis lendutan balok bertulang pada Tugas Akhir ini, penulis mengambil suatu model balok beton bertulang dengan perletakan sederhana dan beban terpusat. seperti yang terlihat pada Gambar 2.11 berikut.
2Ø32
2Ø32
d
h=80 16Ø16
s
d
h=80 4Ø32
s
b=40 b=40 Gambar 2.11. Model balok beton bertulang yang dianalisis Balok beton bertulang yang dianalisa menggunakan mutu beton fc’ 25Mpa dan besi tulangan 210 Mpa dengan profil balok dengan tinggi 80 cm (h = 80 cm) dan lebar balok 40 cm ( b = 40 cm). Lendutan balok beton bertulang tersebut direncanakan memikul beban P . Panjang balok adalah 15 m Model balok beton bertulang tersebut nantinya akan dianalisa, bagaimana lendutan yang terjadi akibat perbedaan letak dan diameter besi tulangan (luas penampang tulangan tetap sama) yang ada. 3 HASIL PERHITUNGAN ANALISA Hasil analisa dapat dilihat dalam grafik berikut:
Gambar 2.12. Grafik Hubungan Beban dan Lendutan (SNI-03-2847-2002)
8
Gambar 2.13. Grafik Hubungan Beban dan Lendutan (Abaqus/CAE 4 KESIMPULAN DAN SARAN 4.1 Kesimpulan 1. Walau memiliki luasan tulangan yang sama, Rasio tulangan balok berbeda, yaitu Type I adalah 0,0111 sedangkan rasio tulangan Type II adalah 0,0108 2. Dengan luas tulangan yang sama, Balok Type II memiliki momen nominal/momen layan serta beban P yang lebih besar yaitu 425,3kNm dan 99 kN, sedangkan balok type I memiliki momen nominal/momen layan serta beban P yang lebih besar yaitu 417,5 kNm dan 97 Kn 3. Berdasarkan rangkaian analisis dan perhitungan mengenai perilaku lendutan beton bertulang, menurut SNI-03-2847-2002 dan simulasi program Abaqus/CAE membuktikan bahwa dengan beban yang sam balok Type II memiliki lendutan yang lebih kecil dibandingkan balok Type I 4. Diameter dan letak tulangan mempengaruhi kemampuan balok menahan beban lentur yang ada.Semakin besar tinggi efektif penampang beton, maka akan semakin kuat menahan beban yang ada. 5. Hasil perhitungan lendutan dengan SNI-03-2847-2002 lebih besar daripada perhitungan lendutan menggaunakan Abaqus/CAE. Hal ini wajar mengingat SNI dirancang untuk menjadikan struktur lebih aman sehingga beban yang diijinkan lebih kecil. 4.2 Saran Untuk mengetahui perilaku lendutan balok beton bertulang yang lebih spesifikasi, perlu diakukan pengujian Laboratorium, perhitungan dengan cara nonlinear dan simulasi program numerikal yang lainnya, sehingga dapat diperoleh perbandingan dari masing-masing hasil yang diperoleh. DAFTAR PUSTAKA Asroni, Ali,2010 “Balok dan Pelat Beton Bertulang”, Graha Ilmu, Yogyakarta. Wang, CK & Salmon,. C,.G. “Disain Beton Bertulang, Erlangga, Jakarta. Nawy , E., G. 2003 “Beton Bertulang Suatu Pendekatan Dasar”, Penerbit Refika Aditama, Bandung. McCormac, Jack., C. 2001, “Desain Beton Bertulang Edisi Kelima”, Penerbit Erlangga, Jakarta. Syal. I.C., Goel.,A.K. 2007, “Reinforced Concrete Structures”, Penerbit S.Chand., India. Nurozi dkk, (2010). “Pemodelan Retak Pada Struktur Beton Bertulang”, Jurnal Teknik Sipil Vol.17, No. 2 Wiyono, D., R & Trisna William, (2013). “Analisa Lendutan Seketika dan Lendutan Jangka Panjang Pada Struktur Balok”, Jurnal Teknik Sipil Vol. 9, No. 1 Nur Oscar Fitrhah, (2010), “Kajian Esperimental Pola Retak Pada Portal Beton Bertulang Akibat Beban Quasi Cyclic” Jurnal Rekayasa Sipil Vol. 6, No. 1 Nur Oscar Fitrhah, (2009), “Kajian Esperimental Perilaku Balok Beton Tulangan Tunggal Berdasarkan Type Keruntuhan Balok” Jurnal Rekayasa Sipil Vol.5, No.2 Nur Oscar Fitrhah, (2010), “Tinjauan Kuat Lentur Balok Beton Bertulang Dengan Lapisan Mutu Beton Yang Berbeda” Majalah Ilmiah UKRIM Ed 2/th XII/2007 SNI 03-2847-2002, “Tata Cara Perhitungan Struktur Beton Untuk Bangunan Gedung”,Badan Standar Nasional.
9
