MAKALAH TUGAS AKHIR Judul
:Studi Literatur Desain Elemen Struktur Beton Bertulang Tahan Api Sesuai ACI 216R-89 Nama : Wahyuniarsih Sutrisno NRP :3108100089 Dosen Pembimbing 1. Dr.Tech. Pujo Aji , ST., MT. 2. Endah Wahyuni ST., MSc., PhD BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Saat ini di beberapa negara termasuk di Indonesia banyak terjadi kasus kebakaran. Menurut Soebijoto, 2011 di Kota DKI Jakarta, berdasarkan data Dinas Pemadam Kebakaran dan Penanggulangan Bencana DKI, jumlah kebakaran pada periode 2009-2010 mencapai 1.541 kasus dengan kerugian mencapai Rp 483,9 miliar . Peristiwa ini tidak hanya berdampak pada kerugian materiil akan tetapi juga berdampak pada banyaknya korban jiwa baik meninggal maupun luka-luka. Adanya korban jiwa tersebut selain dikarenakan mereka berada terlalu dekat dengan sumber api juga dikarenakan mereka tertimpa elemen gedung yang runtuh ketika terjadi kebakaran. Runtuhnya elemen-elemen gedung seperti balok, pelat maupun kolom ketika terjadi kebakaran disebabkan karena hingga saat ini sangat jarang designer yang mengikut sertakan unsur api dalam suatu desain gedung. Selama ini di Indonesia khususnya beban-beban yang dimasukkan dalam analisa struktur suatu gedung terutama gedung beton bertulang hanya berkutat pada beban mati, beban hidup , beban angin serta beban gempa. Padahal apabila melihat kenyataan yang ada,beban-beban seperti api juga dapat menjadi beban yang membahayakan bagi pengguna gedung tersebut. Dengan memasukkan unsur api dalam suatu desain gedung maka akan diketahui berapa lama suatu gedung dapat bertahan bila menerima beban api tertentu. Melihat adanya kenyataan bahwa unsur api juga merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi kekuatan suatu struktur maka perlu adanya suatu tahapan desain yang telah
memasukkan unsur api di dalamnya. Input unsur api kedalam desain suatu gedung tersebut tentu harus sesuai dengan peraturan-peraturan yang ada. Selama ini peraturan-peraturan yang ada di Indonesia belum ada yang mengatur mengenai input unsur api pada desain suatu struktur beton bertulang. Oleh karena selama ini peraturan di Indonesia lebih banyak mengadopsi peraturan yang berasal dari Amerika maka salah satu peraturan yang dapat digunakan sebagai acuan dalam memasukkan unsur api kedalam desain adalah ACI 216R-89. ACI 216R-89 merupakan suatu manual yang membahas mengenai cata penentuan ketahanan elemen beton terhadap api. Peraturan ini berisikan mengenai panduan untuk menentukan ketahanan api pada elemen beton ,ringkasan informasi praktis yang dapat digunakan oleh arsitek,engineers dan orangorang yang terlibat dalam pembangunan suatu gedung atau bangunan yang mengharuskan adanya desain struktur beton dengan resistensi kebakaran tertentu atau mengevaluasi struktur yang telah dirancang terhadap adanya unsur api (kebakaran). Sebuah struktur beton bertulang tersusun atas dua penyusun utama yakni beton dan baja tulangan. Ketahanan elemen-elemen beton bertulang tentu dipengaruhi oleh sifat material penyusunnya. Maka sebelum mengevaluasi ketahanan api pada elemenelemen struktur gedung beton bertulang, perlu diketahui terlebih dahulu sifat material beton dan baja tulangan ketika terkena api. Selain itu juga harus diketahui ketahanan elemen-elemen pada struktur gedung beton bertulang seperti pelat, kolom, balok maupun dinding. Hal ini dikarenakan selain ditentukan dari sifat materialnya ketahanan suatu struktur terhadap api juga sangat ditentukan oleh ketahanan elemen-elemen struktur tersebut terhadap api. Hal terakhir yang harus diketahui adalah distribusi temperatur pada elemen beton ketika menerima beban api standar. Hal ini diperlukan karena dengan ini akan diketahui distribusi temperatur pada beberapa bentuk beton bertulang selama terkena beban api. Apabila seluruh hal tersebut diketahui maka nantinya dapat diperoleh informasi yang memadai mengenai kekuatan suatu struktur gedung beton bertulang ketika terkena beban api.
Perumusan Masalah · Permasalahan Utama: Bagaimana mendesain dan mengevaluasi ketahan elemen-elemen struktur gedung beton bertulang terhadap api sesuai manual ACI 216R-89? · Detail Permasalahan 1. Bagaimana mendesain dan menentukan ketahanan api pada pelat dan balok beton bertulang sesuai manual ACI 216 R-89? 2. Bagaimana mendesain dan menentukan ketahanan api pada dinding sesuai manual ACI 216R-89? 3. Bagaimana mendesain dan menentukan ketahanan api pada kolom beton bertulang sesuai manual ACI 216R-89? Tujuan Penulisan Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut: · TujuanUtama: Mengetahui cara mengevaluasi ketahan elemen-elemen struktur gedung beton bertulang terhadap api sesuai manual ACI 216R-89 ·
Detail Tujuan: 1. Mengetahui cara mendesain dan menentukan ketahanan api pada pelat dan balok beton bertulang sesuai ACI 216 R89 2. Mengetahui cara mendesain dan menentukan ketahanan api pada dinding sesuai ACI 216R-89 3. Mengetahui cara mendesain dan menentukan ketahanan api pada kolom beton bertulang sesuai ACI 216R-89
Batasan Masalah Batasan masalah dalam penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut: 1. Penulisan tugas akhir ini hanya membahas mengenai cara mendesain dan menentukan ketahanan api sesuai dengan ACI 216R-89 untuk elemen-elemen pada struktur gedung beton bertulang yaitu pelat, kolom, balok serta dinding.
2. Penulisan tugas akhir ini tidak mencakup kegiatan eksperimental. 3. Penulisan tugas akhir ini tidak membahas mengenai desain elemen beton bertulang sebelum beban api dimasukkan. 4. Desain hanya dilakukan pada beton dengan mutu normal. Manfaat Penulisan Adapun manfaat dari penulisan tugas akhir ini adalah 1. Bagi dunia konstruksi dapat menjadi suatu referensi dalam memasukkan unsur api pada desain gedung beton bertulang. 2. Bagi engineers dapat menyediakan rangkuman informasi praktis mengenai ketahanan api pada struktur beton bertulang. 3. Bagi penulis, dapat menambah pengetahuan mengenai desain struktur gedung dengan memperhitungkan unsur api di dalamnya. BAB II TINJAUAN PUSTAKA Beton Bertulang Beton bertulang adalah bahan bangunan yang merupakan kombinasi antara beton dan baja tulangan. Beton untuk beton bertulang merupakan campuran dari bahan penyusunnya yang terdiri dari bahan semen hidrolik (Portland cement), agregat kasar, agregat halus, air dan bahan tambah jika diperlukan. Beton mempunyai kuat tekan yang tinggi, hal inilah yang membuat beton banyak dipakai sebagai elemen struktur terutama yang memikul gaya tekan, seperti kolom. Sebaliknya,beton relatif mudah retak karena kemampuan menahan tegangan tarik yang lebih kecil bila dibandingkan dengan kemampuan menahan tegangan tekan. Mengatasi keterbatasan ini, pada pertengahan abad sembilan belas, telah ditemukan kemungkinan, untuk memakai baja dengan kekuatan tariknya yang tinggi untuk memperkuat beton, terutama pada tempat-tempat yang mengalami tegangan tarik. Hasil kombinasi dari kedua material ini dikenal sebagai beton bertulang.
Elemen-Elemen Bertulang
Pada
Struktur
Beton
Pada struktur beton bertulang terdapat beberapa elemen utama seperti pelat, balok,kolom,dinding serta elemen-elemen lain. Elemen-elemen ini berfungsi untuk menunjang kinerja struktur tersebut. Siwi (2008) menjelaskan bahwa pelat merupakan panelpanel beton bertulang yang dapat memiliki tulangan dua arah atau satu arah saja hal ini tergantung dari sistem strukturnya. Kolom adalah batang tekan vertikal dari rangka (frame) struktur yang memikul beban dari balok induk maupun balok anak. Kolom meneruskan beban dari elevasi atas ke elevasi yang lebih bawah hingga akhirnya sampai ke tanah melalui pondasi. Balok adalah bagian struktur yang berfungsi sebagai pendukung beban vertikal dan horizontal. Beban vertikal berupa beban mati dan beban hidup yang diterima pelat lantai, berat sendiri balok dan berat dinding penyekat yang di atasnya. Sedangkan beban horizontal berupa beban angin dan gempa. Peraturan dalam Perhitungan Ketahanan Elemen Betin Bertulang Terhadap Api Peraturan mengenai struktur beton bertulang yang digunakan selama ini yakni SNI 03-2847-2002 mengenai tata cara perhitungan struktur beton untuk bangunan gedung serta SNI mengenai pembebanan selama ini hanya membahas perhitungan desain bangunan gedung yang mengikutsertakan beban hidup, beban mati, serta beban gempa tanpa memperhitungkan beban api di dalamnya. Oleh karena itu perlu adanya suatu acuan yang dapat dipakai untuk menghitung ketahanan suatu struktur elemen beton bertulang terhadap api di Indonesia khususnya. Salah satu peraturan yang dapat digunakan untuk mengevaluasi suatu struktur terhadap api adalah manual ACI 216R-89. ACI 216R-89 merupakan suatu manual yang membahas mengenai ketahanan elemen beton terhadap api. Peraturan ini berisikan mengenai panduan untuk menentukan ketahanan api pada elemen beton ,ringkasan informasi praktis yang dapat digunakan oleh arsitek,engineers dan orang-orang yang terlibat dalam pembangunan suatu gedung atau
bangunan yang mengharuskan adanya desain struktur beton dengan resistensi kebakaran tertentu atau mengevaluasi struktur yang telah dirancang terhadap adanya unsur api (kebakaran). Sifat Meterial Beton Ketika Terkena Api Kekuatan beton normal saat temperatur tinggi pada umumnya menurun. Menurut ACI 216 R 89 kekuatan tekan beton saat temperatur tinggi dan setelah didinginkan pada dasarnya dibedakan berdasarkan type agregatnya seperti gambar berikut ini.
Gambar 0.1. Kuat Tekan Beton Dengan Agregat Yang Mengandung Silika (ACI 216R-89)
Gambar 0.2. Kuat Tekan Beton Dengan Agregat Ringan(ACI 216R-89)
berkurang hingga 50% ketika suhu mencapai 300-4000C.
Gambar 0.3. Kuat Tekan Beton Dengan Agregat yang Mengandung Karbon(ACI 216R-89) Selain perubahan kuat tekan beberapa sifat lain juga ditunjukkan oleh beton ketika berada pada temperatur tinggi salah satunya adalah modulus elastisitas. Dapat dilihat pada gambar dibawah ini bahwa modulus elastisitas beton normal untuk ketiga jenis agregat ini menurun ketika berada pada temperatur tinggi. Hal tersebut didukung oleh pernyataan Bilow dkk, 2008 yang menyatakan bahwa modulus elastistas beton menurun seiring dengan meningkatnya temperatur. Pada suhu antara 300-4000C modulus elastisitas beton menurun hingga 50 % dari modulus elastisitas semula.
Gambar 0.5.Modulus Geser Beton Pada Temperatur Tinggi(ACI 216R-89) Gambar berikut ini menunjukkan hubungan tegangan regangan pada beton mutu normal.
Gambar 0.6.Hubungan tegangan Regangan Beton Normal Pada Temperatur Tinggi (Bailey,2008) Bailey,2008 menyatakan bahwa gambar tersebut memperlihatkan hubungan tegangan dan regangan pada kondisi tanpa beban aksial pada temperatur tinggi. Parameter yang digunakan untuk menentukan tegangan dan regangan tersebut dapat dilihat pada Table 0-1 berikut ini. Gambar 0.4.Modulus Elastisitas Beton Pada Temperatur Tinggi(ACI 216R-89) Gambar berikut ini memperlihatkan perubahan modulus geser beton. Hampir sama dengan perubahan yang terjadi pada modulus elastisitas beton bahwa modulus geser beton juga
Table 0-1 Parameter Penentuan Tegangan dan Regangan Pada Beton Normal (Bailey,2008)
bahwa kekuatan dari tulangan menurun seiring dengan naiknya temperatur.
Thermal conductivity (k) sangat tergantung pada berat jenis beton dan type agregat dari beton tersebut. Nilai k dari beton dibagi menjadi 2 yaitu beton ringan dan beton normal. ACI 213-87 menyebutkan bahwa beton ringan adalah beton yang dibuat dengan agregat ringan dan memiliki berat jenis antara 800 Kg/m3 hingga 1850 Kg/m3 dan memiliki kuat tekan minimum 17.2 MPa. Phan, McAllister& Gross,2009 menyebutkan bahwa beton ringan memiliki nilai thermal conductivity sebesar 0.5 W/mK. Sedangkan Beton normal menurut SNI 03-2847-2002 adalah beton yang memiliki berat 2200 Kg/m3 hingga 2500 Kg/m3. Karena pada tugas akhir ini hanya membahas mengenai beton dengan mutu normal maka untuk beton normal kuat tekan dibatasi hingga 50 MPa (Subakti,1995). Phan, McAllister& Gross,2009 menyebutkan bahwa beton ringan memiliki nilai thermal conductivity sebesar 1.3 W/mK. Thermal diffusivity adalah hasil pembagian dari thermal conductivity dengan berat jenis dan specific heat. Nilai specific heat didapatan dari nilai volumetric specific heat Spefic heat =
ı ı ıı ı ı ı ı ıı ı ı ı ı ıı ıı ı ı ı ı ı ı ı ı ı ı ı ı ıı ı ı ı ı ı
…….(0-1)
Nilai volumetric specific heat untuk normal weight concrete adalah 2-2.6 MJ/m3K dan untuk beton ringan adalah 1-1.5 MJ/m3K. Sifat Tulangan Ketika Terkena Api Pada Gambar 0.7 berikut ini diperlihatkan pengaruh temperatur pada kekuatan tulangan. Pada umumnya ditunjukkan
Gambar 0.7. Kekutan Tulangan Pada Temperatur Tinggi(ACI 216R-89) Selain itu pada temperatur tinggi hubungan tegangan dan regangan baja berubah seiring dengan naiknya temperatur. Berikut ini adalah Gambar 0.8 mengenai tegangan dan regangan baja pada temperature tinggi.
Gambar 0.8. Tegangan dan Regangan Baja Pada Temperatur Tinggi(ACI 216R-89) Gambar 0.9 berikut ini menunjukkan bahwa modulus elastisitas tulangan menurun seiring dengan naiknya temperatur saat terjadi kebakaran. Hal tersebut juga ditunjukkan oleh Abraham,2001 dalam PCA Research and development buletin yang menyatakan bahwa modulus elastisitas dari baja menurun secara linear ketika mencapai suhu 5000C.
Gambar 0.9. Modulus Elastisitas Baja Tulangan Pada Temperatur Tinggi(ACI 216R-89)
0.10.Hubungan Waktu dan Suhu dengan Api Standar
Ketahanan Api Pada Struktur Gedung Beton Bertulang Febrina,2010 menjelaskan bahwa kebakaran adalah sebuah proses kimia, yaitu oksidasi dari suatu material organik. Lebih lanjut dijelaskan bahwa peningkatan temperatur akibat kebakaran menyebabkan material beton mengalami perubahan sifat. Beton yang dipanaskan hingga di atas 800° C akan mengalami degradasi berupa pengurangan kekuatan yang cukup signifikan yang mungkin tidak akan kembali lagi (recovery) setelah proses pendinginan Definisi tahan api merupakan sifat suatu bahan atau struktur konstruksi bertahan terhadap kebakaran atau yang melindungi bahan sehingga tidak terbakar (Nugraha dan Antoni 2007).Tingkat ketahanan suatu struktur beton bertulang ditentukan dengan menggunakan api standar (Gustaferro dan Lin 1986). Caldas, Saosa, dan Fakury (2010) menyatakan bahwa umumnya metode analisa yang digunakan terdiri dari 2 tahap yaitu tahap distribusi panas dan tahap analisa struktur. Berikut akan dijelaskan mengenai kedua tahap tersebut ·
Tahap Distribusi Panas Suhu pada permukaan merupakan suhu yang mempengaruhi suhu pada bagian dalam dari suatu elemen beton bertulang. Untuk menentukan suhu pada permukaan digunakan beban api standar. Api standar merupakan api yang digunakan dalam pengetesan ketahanan api suati material dimana api standar memiliki kurva sebagai bertikut.
Informasi mengenai suhu yang terjadi bukan hanya pada permukaan beton saja namun juga pada jarak tertentu dari permukaan yang langsung terkena api. Informasi ini dapat dicari dengan menggunakan tabel distribusi temperatur. Gustaferro dan Lin,1986 menyatakan bahwa informasi mengenai distribusi temperatur ini telah dibagi berdasarkan tipe betonnya. Distribusi temperatur pada pelat dibedakan berdasarkan tipe agregatnya yaitu agregat yang mengandung silika,agtregat yang mengandung karbon, serta agregat ringan. Gustaferro dan Lin (1986) menyatakan bahwa distribusi temperatur pada pelat beton ataupun panel datar dapat dilihat pada tertentu dari permukaan yang terkena api untuk ketiga jenis agregat yang telah disebutkan sebelumnya. Distribusi temperatur pada balok dibedakan berdasarkan jenis beton normal dan beton ringan. Penentuan distribusi temperatur pada balok sedikit perbeda dengan pelat. Pada balok grafik yang disediakan oleh ACI 216R-89 hanya untuk waktu terkena api 1 hingga 3 jam dengan menggunakan tabel yang berbeda. ·
Tahap Analisa Struktur Gustaferro dan Lin (1986) menyatakan terdapat suatu metode analisa struktur untuk menentukan
ketahana suatu struktur pelat dan balok terhadap api yang disebut metode rational design. Metode ini menerangkan bahwa teori kekuatan yang telah digunakan untuk mendesain struktur pelat dan balok beton bertulang dalam melawan beban layan dapat diaplikasikan untuk mendesain ketahanan api pada suatu struktur beton bertulang. Kondisi termal dan mekanis dari material beton dan baja berbeda secara nonlinear terhadap temperatur. Karena itu jika temperatur pada material dalam waktu yang telah diberikan saat terjadi kebakaran (adanya unsur api) serta kekuatan dari material saat temperatur tersebut terjadi telah diketahui maka kekuatan nominal dari struktur tersebut dapat ditentukan. Untuk dinding tahap analisa dilakukan dengan menggunakan analisa thermal dengan menggunakan rumusan empiris dari hasil penelitian yang dilakukan oleh Harmanthy dan Allen pada tahun 1972. Sedangkan pada kolom tahapan analisa struktur dilakukan dengan mencari beban ultimate yang dapat dipikul sebuah kolom apabila beban api telah diaplikasikan kedalam struktur tersebut. Analisa Ketahanan Api Pelat dan Blok Beton Bertulang Tahap pertama dalam desain balok dan pelat tahan api adalah dengan menentukan nilai u. Nilai u pada pelat didapatkan dengan persamaan berikut ini. u = cover beton + 1/2 db……………(0-2) Sedangkan untuk balok nilai u yang digunakan adalah nilai u efektif dimana nilai u efektif sama dengan nilai urata-rata yang memenuhi persamaan berikut. urata-rata =
(ı ı ı ı ) ı ı ı ı ı (½ ı ) ı
Dimana: N = jumlah tulangan
………(0-3)
nc = jumlah tulangan yang terletak di ujung u = jarak terdekat titik tengah tulangan dan bagian yang terkena api Setelah nilai u diketahui maka selanjutnya yang dilakukan adalah mengjitung momen (M) yang terjadi akibat beban(persamaan 2.5).Setelah itu dilanjutkan dengan menghitung momen nominal (Mn) seperti pada persamaan berikut ini. ı
ı ı = ı ı ı ı ı ı − ı ………………(0-4) ı
Mn : Momen Nominal As : Luas Baja Tulangan fy : Kuat leleh dari baja tulangan d : Tinggi manfaat penampang a :Jarak ekivalen tekan pada penampang persegi dimana a=Asfy/0.85fc ' b……….(0-5) Sedangkan: ı =
ı ıı ı
………………………(0-6)
Dimana w adalah Beban mati ditambahkan beban hidup per satuan panjang. Setelah momen akibat beban dan momen nominal telah diketahui maka dapat dicari rasio antara keduanya. Selain itu perlu diketahui pula nilai ı dengan persamaan berikut
ı =
ıı ı ı ı
ı ı ı ı ı ′ı
…………………..(0-7)
Dimana: As = Luas tulangan fy = Tegangan leleh baja tulangan b = Lebar penampang d = Tinggi manfaat penampang f’c = Kuat tekan karakteristik beton Nilai ı berkisar antara 0.1 hingga 0.3 untuk nilai ı dibawah 0.1 maka dianggap sama dengan 0.1 namun apabila nilai ı diatas 0.3 maka diambil nilai ı adalah 0.3. namun bila dilihat pada grafik 2.24 perbedaan nilai ı tidak terlalu berpengaruh untuk menentukan ketahanan api. Setelah semua data yakni u,
M/Mn, dan ı diketahui maka data-data tersebut dimasukkan kedalam grafik seperti terlihat pada gambar dari grafik tersebut akan didapatkan ketahanan api yang mampu dipikul oleh suatu pelat maupun balok beton bertulang dalam satuan jam.
Gambar 0.11. Ketahanan Api Pada Pelat Beton Bertulang Yang Dipengaruhi Oleh Tipe Agregat Beton, Tipe Tulangan, Intensitas Momen Dan Nilai “u” (ACI 216R-89) Setelah diketahui ketahanan api dari suatu pelat maupun balok maka selanjutnya dapat diketahui kekuatan sisa pasca kebakaran dengan menggunakan persamaan berikut ini Mnθ
=As fyθ (d -
ıı ı
)………….(0-8)
·
2. Data Penampang Data-data penampang yang digunakan adalah untuk dinding hollow berikut ini:
Gambar 0.12. Penampang Dinding Hollow Adapun data penampang yang digunakan adalah sebagai berikut: · Tinggi Penampang (h) · Face shell thickness rata-rata (l) l = 1,1 lm……(0-9) ·
Average Web thickness (a) a = 1.15 aam………………(0-10)
Apabila ketahanan api yang didapatkan pada grafik tersebut belum sesuai dengan yang diinginkan maka perlu dilakukan perubahan terhadap komponen-komponen desain sebelumnya sehingga perlu dilakukan perhitungan kembali dari awal. Analisa Ketahanan Api Pada Dinding Beton Bertulang Meode ini memerlukan data-data mengenai sifat termal dari material dinding tersebut. Metode ini lebih akurat bila dibandingkan dengan metode ketebalan ekuivalen karena tidak memerlukan interpolasi maupun ekstrapolasi dari tabel. Empirical Methods ini dapat digunakan apabila terdapat data-data sebagai berikut. 1. Sifat termal material: · Thermal conductivity (k)
Thermal diffusivity (K)
Untuk gambar 2.25 (a) nilai a adalah: a = 1/3 (2a1 + a2)..................(0-11) Untuk gambar 2.25 (b) nilai a adalah: a = 1/3 (2a1 + a2).................(0-12) ·
Average web spacing (b) Untuk gambar 2.25 (a) nilai b adalah: b = 1/3 (2b1 + b2)..................(0-13) Untuk gambar 2.25 (a) nilai b adalah: b = 1/3 (2b1).........................(0-14)
3. Volumetric moisture content (Ø) Ø=m
ı
ıı
……………..…(0-15)
Dimana: m = kehilangan berat dari beton setelah pemanasan sebesar 2210F ( 1050C) ı = Berat jenis Beton ı ı = Berat jenis air Dinding berlubang merupakan gabungan antara dinding solid dan dinding dengan 2 layer (Harmanthy dan Allen, 1972). Maka ketahanan api dari dinding berlubang merupakan gabungan antara ketahanan api dinding solid atau tanpa lubang (ı ı ı ) dan dinding dengan 2 layer (ı ı ı ). Serta perlu diperhatikan pula faktor geometri dari penampang dinding tersebut. Ketahanan api dinding berlubang pada kondisi kering dapat dihitung dengan rumus berikut ini. ıı
= −
Dimana:
ı
1
ı ı ı 101/2 ı
ıı ı = ı ı ı ı ı ı ı
ııı = ı ıı ı ıı
+
ı .ı ı ı .ı
ı
1− ı ı ı 20 1/2 ı .ı ıı ı
ı
ı .ı ıı
ı ı ı
ı ……(0-16)
……... (0-17)
……….. (0-18)
Sedangkan C14 = 0.25 ft1.2 h0.35 F0,55/Btu0.55 = 0.0153 m1.2 s0.35 C0.55/J0.55
dan C15 = 0.750 ft1.2 h0.5 F0.6/Btu0.6 = 0.117 m1.2 s0. 5 C0.6/J0.6 Sedangkan ketahanan api pada dnding beton pada kondisi alami (moist condition) dapat di hitung dengan rumus berikut
ı =
ı ı ı ı ı ı ı (ı ı ı Ø) ı ı ıı
……….(0-19)
Dimana β = 5.5(untuk normal weight concrete) β = 8 (untuk lightweight concrete) Pada kasus dinding tanpa lubang (solid walls)
ı ı = ı ı ı ………………..(0-20)
dan ketahanan api selalu dihitung dalam kondisi natural. Sebuah dinding beton bertulang dikatakan telah failure saat terkena beban api ketika sebuah kapas yang ditaruh di bagian dinding yang tidak terkena api telah terbakar. Pada saat kapas tersebut terbakar maka diasumsikan bahwa telah terjadi crack pada dinding sehingga api telah menembus dinding. Suhu pada saat kapas terbakar menurut Harmanthy dan Allen, 1972 adalah sebesar 139oC Analisa Ketahanan Api Pada Kolom Beton Bertulang Oleh karena itu dikembangkan sebuah metode untuk mendesain kolom beton bertulang tahan api yaitu dengan menggunakan metode Ultimate load Calculation. Metode ini selain dapat mendesain sebuah kolom beton bertulang dengan ketahanan api tertentu, metode ini juga dapat digunakan untuk mengetahui ketahanan api suatu gedung yang telah ada. Metode ini berkaitan dengan beban yang mengakibatkan colapse pada kolom secara plastis. Dimana beban ini dikurangi dengan koefisien buckling untuk kolom dengan beban eksentris dan pembesaran nonlinear untuk beban eksentris. Prinsip dasar dari metode ini dapat dilihat pada persamaan 2.20 berikut ini ı ı (ı ) = ı ı ı ı ı
ı ı ı ı ı ı (ı )……….(0-21)
Dimana: ı ı (ı ) = Kapasitas Beban Ultimate ı ı ı ı = Spalling (dalam fungsi waktu) ııı = Koefisien buckling untuk kolom dengan beban concentric ı ı (ı ) = beban yang mengakibatkan colapse pada kolom secara plastis. Untuk kolom pendek ı ı ı ı ı = ı ı (ı )……………………..(0-22)
Saat mendesain kolom dengan metode Ultimate load Calculation langkah pertama yang harus
dilakukan adalah menghitung besarnya Np dengan persamaan 2.22 ı
ı
= ı ı (ı )ı ı ı ı ı ı + ı ı (ı )ı ı ı ı ı ı …(0-23)
Dimana nilai dari faktor korelasi (β) adalah:
ı ı ııı =
ı ı ı ıı ı ı .ı
ı
ı
ı ı ıı
ı
……………….(0-24)
ı ı = 0.3 ı ı ı …………….….(0-25) ı ı = ı ı ı ı .ı ı …………………….(0-26)
ı ı ııı = 1 −
ı .ı ı
ı .ı ı ı ı ı ı .ı ı ı
> 0………….(0-27)
Nilai β ini digunakan untuk kolom dengan bentuk persegi dengan luas penampang beton berkisar antara 0.04 m2 hingga 0.2 m2. Kemudian hitung spaling faktor
ı ı ı ı = 1 − 0.3ı ı ı ı ı = 0.85
untuk t < 0.5 jam…..(0-28) untuk t > 0.5 jam…..(0-29)
Lanjutkan dengan menghitung Kelangsingan. Untuk menghitung kelangsingan dibedakan atas ratio kelangsingannya (λ). Berikut ini adalah rumus untuk mencari ratio kelangsingan.
λ=
ıı ı
…….(0-33)
Apabila telah diketahui nilai kelangsingannya maka nilai koefisien buckling dapat ditentukan dengan persamaan 2.32 berikut.
ııı =
ıı
ı ıı ı
ı ı ı /ı ı ı ı ıııı ııı ı ıı ı
………..(0-34)
Dimana e = eksentrisitas beban (mm) h =dimensi terkecil dari potongan melintang (mm) λ = Rasio kelangsingan c = cover beton (mm) , dimana 20 ≤ ı ≥ 50 ı ı Ac = Luas penampang beton (m2) As = Luas penampang tulangan (m2) fc = Kuat tekan Beton (MPa) fy = Kuat leleh tulangan (MPa) t = waktu ketahanan api (jam) BAB III METODOLOGI
START
=ı
ı
Persiapan Data-Data
Studi Pustaka
ı
4
= Inersia Penampang (mm ) dimana untuk metode ini b < h dan h/b ≥ 1/2 A =Luas Penampang (mm2)
I
ıııı ı ı
…………………………...(0-30)
Dimana k = Faktor Panjang Efektif L = Panjang Kolom (mm) r
ı ı ı ı = 0.80 ı
ı
ı ı ı .ı ı ı ı ı ı ı ı ı ı ı ı
Pada metode ini rasio kelangsingan yang d2jinkan adalah λ ≤ 100, maka:
Untuk λ ≤ 20 ı ıı ı = 1 −
ı
ııı
Untuk 20 < λ ≤ 70 ı ı ı ı = 0.80 ı
Untuk λ > 70
Studi Kasus
Analisa Ketahanan Api dan Desain Elemen Beton Bertulang Tahan Api
……………………(0-31) Kesimpulan ıııı ı ı
ı ı ı .ı ı ı ı ı ı ı ı
………(0-32)
FINISH
BAB IV PEMBAHASAN Desain Pelat dan Balok Beton Bertulang Tahan Api Desain dari pelat dan balok beton bertulang dimulai dari preliminary design yang dilanjutkan dengan perhitungan dimensi dan barulah masuk kedalam tahap design pelat dan balok tahan api. Namun pada tugas akhir ini tidak membahas mengenai tahapan preliminary design serta perhitungan dimensi tulangan melainkan langsung membahas mengenai desain pelat dan balok tahan api dari data elemen yang telah dihitung sebelumnya. Data-data untuk perhitungan yang digunakan pada tugas akhir ini menggunakan contoh soal yang terdapat pada ACI 216R-89. ·
Analisa Kondisi Eksisting Sebelum masuk ke tahapan desain pada akan dibahas terlebih dahulu mengenai analisa kondisi eksisting. Pada analisa kondisi eksisting ini akan dibahas mengenai cara menentukan ketahanan api pada suatu elemen pelat dan balok yang telah di desain sebelumnya namun belum memasukkan unsur api di dalamnya. Melalui analisa kondisi eksisting ini nantinya akan dapat dilihat hal yang menentukan dalam mendesain suatu pelat dan balok dengan ketahanan tertentu terhadap api. Selain itu dapat diketahui pula kekuatan sisa eleman tersebut pasca kebakaran.
Kasus 1: Hitunglah ketahanan api pada simply supported slab apabila diketahui pelat tersebut memiliki tulangan berdiameter 12.7 mm dengan spasi 150 mm dan kuat lelehnya sebesar 410 MPa. Pelat tersebut terbuat dari beton dengan agregat yang mengandung karbon dengan berat jenis 2400 kg/m3. Mutu beton yang digunakan adalah 28 Mpa. Cover beton diketahui sebesar 19 mm. pelat tersebut memiliki ketebalan 150 mm dan panjang 4.5 m. beban hidup yang bekerja diketahui sebesar 4.8 kPa.
Analisa Kondisi Eksisting No Calculation and Discussion 1 List data yang telah diketahui dari hasil desain sebelumnya adalah: db = 12.7 mm Spasi tulangan = 150 mm Ab = 126.68 mm2 ıııı x 126.68 As = ııı = 844.5 mm2 f’c = 28 MPa
Ref
fy γbeton cover h pelat l pelat f’c wl 2
3
4
= 410 Mpa = 2400 Kg/m3 = 19 mm = 150 mm = 0.15 m = 4.5 m = 28 MPa =4.8 kPa
Beban Mati (wd) wd = hpelat x 1 x γ beton = 0.15 x 1 x 2400 = 360 Kg = 3.5 kPa Beban Hidup (wl) Telah diketahui di soal wl = 4.8 kPa Beban Total (wt) wt = wd + wl = 3.5 + 4.8 = 8.3 kPa Hitung Momen akibat beban (M) M = 1/8 wt l2 = 1/8 x 8.3 x (4.5)2 = 21 KNm/m lebar
Pers. 2.6.
Hitung Momen Nominal (Mn) ı Mn =As fy (d - )
Pers. 2.4.
ı
d
a
Mn
Dimana: = h-cover-1/2db = 150 – 19 -1/2(12.7) =124.65 mm ıı ı ıı = ı ,ı ı ı ı ′ ı ı ı ııı ı ııı = ı ,ı ı ı ı ı ı ı ı ı ı = 14,55 mm = 844.5 x 410 x(124.65 – = 40641396.9 Nmm = 40.64 KNm/m lebar
5
Hitung Rasio M/Mn M/Mn = 21/40.64 = 0.52
6
Hitung ω ı ı ı ıı ı = ı ı ı ı ı ′ı
Pers. 2.5.
ı ı .ı ı ı
)
Pers. 2.7.
ı =
844.5 ı 410 1000 ı 124.65 ı 28
= 0.1
7
Hitung u u = cover beton + 1/2 db u = 19 + ½ (12.7) u = 25.35 mm
Pers. 2.2.
8
Estimasi Ketahanan Api Estimasi ketahanan api dapat diperoleh dari grafik yang ditunjukkan pada gambar 4.25 dengan memasukkan nilai u = 25.35 mm M/Mn = 0.52 ω = 0.1
Gbr. 2.24
Dari grafik tersebut dapat dilihat ketahanan api pada pelat tersebut adalah selama 3 jam.
Perhitungan Kekuatan Sisa Pasca Kebakaran No Calculation and Discussion 1 List data yang telah diketahui dari hasil desain sebelumnya adalah: u = 25.32 mm Fire Time = 3 jam db = 12.7 mm Spasi tulangan= 150 mm Ab = 129 mm2 ıııı As = ı ı ı x 129 = 860 mm2 f’c = 28 MPa fy = 410 Mpa γbeton = 2400 Kg/m3 cover = 19 mm h pelat = 150 mm = 0.15 m l pelat = 4.5 m f’c = 28 MPa wl =4.8 kPa
Ref
2
Estimasi suhu yang terjadi pada beton maupun tulangan
Gbr. 11.12
Diketahui suhu yang terjadi pada tengah tulangan adalah sebesar 640 0C dan suhu yang terjadi pada beton di dekat tulangan adalah sebesar 700 0C Selain Penentuan kekuatan sisa dapat juga ditentukan suhu permukaan beton pada permukaan beton dengan menggunakan api standar. Ketika mencapai 3 jam maka suhu pada permukaan yang terkena api adalah 10500C. 3
Estimasi kuat leleh tulangan pasca kebakaran Kuat leleh tulangan
Gbr. 11.7
Diketahui kekuatan sisa kekuatan leleh baja adalah sebesar 41 % dari kuat leleh awal yaitu sebesar fyθ = 41 % x 410 = 168.1 MPa 4
Estimasi Kuat Tekan Beton Pasca Kebakaran
Gbr.
2.3
5
Diketahui kekuatan sisa beton pasca terkena api selama 3 jam adalah sebesar 39 %dari kuat tekan awal yaitu sebesar: f’cθ = 39 % x 28 = 10.92 MPa Estimasi Mn Pasca Kebakaran ıı Mnθ =As fy (d - ı ) d
Dimana: = h-cover-1/2db = 150 – 19 -1/2(12.7) =124.65 mm
aθ
ıı ı ııı
= ı ,ı ı
ı ı ′ı ı ı ı ı ı ı ı ı ı ı .ı
= ı ,ı ı ı ı ı .ı ı ı ı ı ı ı = 15.575 mm
Mnθ
=As fyθ (d -
ıı ı
)
= 860 x 168.1 x (124.65=16894344.18Nmm =16.9 KNm/m lebar
ı ı .ı ı ı ı
)
Maka terjadi penurunan momen nominal sebesar 58.415 %
Pers. 2.8
Tahapan Desain Pelat dan Balok beton Tahan Api Tahapan desain pelat dan balok beton bertulang tahan api pada dasarnya harus didahului dengan desain pendahuluan tanpa memperhitungkan beban api didalamnya. Setelah itu dilakukannlah analisa kondisi eksisting dari pelat dan balok yang telah di desain. Apabila dari hasil analisa telah didapatkan ketahanan api yang sesuai dengan yang diinginkan maka desain tersebut telah dianggap selesai. Namun apabila ketahanan api yang didapatkan kurang dari yang diharapkan maka harus dilakukan desain ulang. Dalam melakukan desain ulang banyak faktor yang mempengaruhi desain tersebut. Oleh karena itu terkadang terdapat kebingungan mengenai variable apa saja yang harus diubah. Untuk mengetahui variable yang paling mempengaruhi desain dilakukan analisa untuk mengetahui variable mana saja yang mempengaruhi desain tersebut. Analisa dilakukan terhadap 3 variable yang kemungkinan sangat berpengaruh besar terhadap desain yakni cover beton, mutu beton dan baja. Analisa dilakukan dengan menggunakan kasus 1 dan mengubah ketiga variable tersebut. Analisa pertama dilakukan pada cover beton. Cover beton adalah salah satu variable yang dapat diubah sehingga mendapatkan hasil yang diinginkan. Tebal cover pada beton bertulang sangat mempengaruhi ketahanan api karena cover tersebut yang akan melindungi tulangan sehingga tidak langsung terkena api. Oleh karena itu dengan memperbesar ketebalan cover beton maka dengan mutu serta ukuran yang sama maka akan didapatkan ketahanan api yang lebih baik. Analisa dilakukan dengan mengubah tebal cover beton mulai dari tebal minimum sesuai yang ditetapkan SNI 03-2847-2002 pasal 9.7.1(b) yaitu 15 mm hngga tebal minimum yang dapat diakomodasi oleh tabel pada ACI 216R-89 yakni 40 mm. Berikut ini adalah hasil analisa tersebut.
Cover Vs Time 6.0 Time (jam)
·
4.0 2.0 0.0 1012141618202224262830323436384042 Cover (mm)
Gambar 0.13.Grafik Hubungan Kenaikan Waktu Ketahanan Api dan Cover Beton Berdasarkan hasil analisa yang terlihat pada Gambar 0.13 dapat dilihat bahwa kenaikan cover beton mempengaruhi kenaikan ketahanan api suatu pelat dan balok beton bertulang. Dengan penambahan ketebalan cover beton sebanyak 25 mm dari ketebalan awal sebesar 15 mm terlihat kenaikan waktu ketahanan apinya menjapai lebih dari 1.5 jam. Oleh karena itu dalam desain nantinya apabila ketahanan api dari analisa kondisi eksisting tidak memenuhi maka salah satu cara untuk meningkatkan ketahanan api pada pelat maupun balok beton bertulang adalah dengan mempertebal cover beton yang semula. Agar langsung mendapatkan ukuran cover beton yang sesuai maka dapat digunakan diagram distribusi temperatur. Namun setelah didapatkan ketahanan api yang sesuai dengan yang diinginkan perlu dilakukan pengecekan kembali pada struktur tersebut karena perubahan cover beton tentu akan mempengaruhi tinggi manfaat penampang sehingga momen nominal yang dihasilkan juga akan berubah.Perubahan cover beton yang dilakukan menyebabkan kenaikan pada waktu ketahanan api yang dihasilkan namun tidak mengubah suhu pada tulangan ketika beton tersebut runtuh pada akhir waktu ketahanan api tersebut. Analisa kedua dilakukan dengan mengubah mutu beton (f’c). Mutu beton bertulang diubah dengan rentang mulai 28 MPa hingga 50 MPa. Berikut ini adalah hasil analisa tersebut.
Analisa ketiga dilakukan dengan merubah mutu baja (fy). Berikut ini adalah hasilnya.
Mutu Baja (fy) Vs Time
3.1 2.9 2.7 2.5 20
30
40
50
60
f'c (MPa)
Gambar 0.14 Grafik Hubungan Kenaikan Waktu Ketahanan Api dan Mutu Beton Berdasarkan hasil analisa yang terlihat pada Gambar 0.14. dapat diketahui bahwa mutu beton tidak berpengaruh terhadap waktu ketahanan api. Hal ini dikarenakan pada saat penentuan ketahanan api dengan menggunakan grafik pada gambar 2.24 hal yang diperhitungkan adalah rasio momen dan momen nominal, cover beton serta nilai ω yaitu perbandingan antara As x fy dan b x d x f’c. Sehingga dalam hal ini dengan penambahan nilai f’c variable yang berubah adalah rasio momen dan momen nominal serta nilai ω. Perubahan yang terjadi pada kedua hal tersebut tidak terlalu signifikan dimana perubahan perbandingan antara momen dan momen nominal hanya berkurang sebesar 0.001 hinggan 0.005 setiap kenaikan f’c sebesar 5 hingga 10 MPa.Sedangkan nilai ω juga tidak terpengaruh secara signifikan yakni terdapat penurunan sebesar 0.005 hingga 0.01 setiap kenaikan 5 hingga 10 MPa.selain itu nilai ω yang bernilai kurang dari 0.1 dianggap bernilai 0.1 karena batas nilai ω minimum adalah 0.1 dan maksimum 0.3. Oleh karena itu perubahan f’c tidak berpengaruh terhadap waktu ketahanannya terhadap api namun akan mempengaruhi kekuatan sisa pasca kebakaran. Namun perubahan f’c ini tentu akan berpengaruh terhadap pendimensian elemenstruktur itu sendiri maka dari itu perubahan f’c juga perlu di cek pada desain sebelum maupun pasca kebakaran.
Time (jam)
Time (jam)
Mutu Beton (f'c) Vs Time
5.5 4.5 3.5 2.5 200
250
300
350
400
450
fy (MPa)
Gambar 0.15.Grafik Hubungan Kenaikan Waktu Ketahanan Api dan Mutu Baja Analisa ini dilakukan dengan mengubah mutu baja tulangan dari 210 MPa hingga mencapai 410 MPa. Berdasarkan grafik tersebut terlihat bahwa mutu baja sangat mempengaruhiwaktu ketahanan api suatu pelat maupun balok beton bertulang. Karena pada analisa ini terdapat perubahan yang cukup signifikan pada rasio momen dan momen nominal yang terjadi yakni terdapat penurunan sebesar 0.07 setiap kenaikan 30 MPa mutu tulangan yang digunakan. Dapat dilihat pula pada Gambar 0.15 tersebut terdapat kenaikan sebesar 2 jam dari mutu awal yang digunakan yakni sebesar 210 MPa hingga mutu akhir pada analisa ini yakni sebesar 410 MPa. Berdasarkan analisa yang telah dilakukan maka didapatkan pengaruh yang berbeda-beda setiap kenaikan variable yang telah ditetapkan. Oleh karena itu perubahan yang dilakukan untuk mendapatkan ketahanan api yang diinginkan harus dilakukan terhadap tiap variable dengan melakukan trial and error pada setiap perubahan variable yang dilakukan. Hal ini dilakukan agar mendapatkan hasil yang akurat.
Desain Dinding Beton Tahan Api
Desain ketahanan api pada dinding beton dibedakan menjadi 2 yaitu untuk solid walls dan hollow walls. Untuk kedua dinding tersebut ketahanan api pada dinding di bagi lagi menjadi 2 kondisi yaitu pada kondisi alami dan pada kondisi kering. ·
Analisa Kondisi Eksisting Hitung ketahanan api sebuah dinding yang terbuat dari beton ringan pada kondisi alami bila diketahui penampang dinding seperti dibawah ini:
Diketahui data-data sebagai berikut: · Berat jenis beton (ρ) = 1450 Kg/m3 · Thermal conduct4ity (k) = 0.52 W/mK · Thermal diffusivity (K) = 4.13 x 10-7 m2 /s · Moisture Content (m) = 0.005 · Permeability Factor (β) = 8 · h = 142 mm · lm = 25 mm · a1m = 28 mm · a2m = 25 mm · b1 = 198 mm
No 1
2
Hitung nilai l efektif l = 1.1 lm = 1.1 (25) = 27.5 mm Hitung a efktif a1 = 1.15 a1m = 1.15 (28) = 32.2 mm
Calculation and Discussion
Ref Pers. (2.11)
Pers (2.12)
a2 = 1.15 a2m = 1.15 (25) = 28.75 mm
3
a = 1/3 (2a1+a2) = 1/3 (2(32.2)+28.75) = 31.05 mm Menghitung nilai b efektif
Pers (2.13) Pers
4
5
b = 1/3 (2b1) = 1/3 (2 (198)) = 132 mm Menghitung rasio a/b a/b = 31.05/132 = 0.235
(2.16)
Menghitung Volumetric moisture content
Pers (2.17)
Ø=m
ı
ıı
Ø=0.05 6
ıııı ıııı
= 0.0725 Hitung ı ı ı dan ı ı ı ı .ı ı ı .ı ı ℎı ı ı ıı ı = ı ı ı ı ı ℎ ı ı ı ı = 0.0153 ı
0.52 ı 142 1000
ı .ı ı
Pers (2.19)
142 ı ı 1000 ı ı 4.13 ı 10ı ı ı
ı .ı
ı ı ı = 0.0153 (2.04) (4.23 x 105) = 13202.676 s = 3.7 jam ı ı .ı ı ı ı ı ı ı ı ı
ııı = ııı ııı
7
27.5 ı .ı ( 1000 ) ı 0.52 = 0.117 ı ı ı ı 4.13 ı 10ı ı 27.5/1000
ı .ı
ı ı ı = 0.117 (5.8) (3881.4) = 2633.92 s = 0.74 jam Hitung Ketahanan api pada kondisi kering ı ıı = ı
ı ı
ı ı ı ı ı /ı
ıı = ı
8
Pers (2.20)
ı .ı
Pers. (2.18)
1
ı ı ı 1− ı + ı ı ı ı /ı ı
1 ı 0.235 1 − 0.235 + 3.7ı /ı 0.73ı /ı
ı ı = 0.986 jam
Hitung ketahanan api pada kondisi alami (moist condition)
Pers. (2.21)
ı ı ı + 4ı ı (1 + ı Ø) 4+ ıı 0.986ı + 4(0.986)(1 + 8(0.0725)) ı = 4 + 0.986 ı = 1.44 jam ı =
·
Setelah diketahui waktu ketahanan api dari dinding tersebut dapat pula dilihat suhu pada permukaan dinding yang langsung terkena api dengan menggunakan grafik Standard Time-Temperature Curve For Control Of Fire Tests pada ASTM E 119. Berdasarkan grafik tersebut dapat dilihat bahwa untuk ketahanan api selama 1.44 jam didapatkan suhu pada permukaan dinding yang langsung terkena api adalah 9900C. Karena tidak adanya grafik mengenai distribusi temperatur untuk dinding maka suhu dipermukaan yang tidak terkena api adalah sebesar 139oC. Pada suhu tersebut kapas yang diletakkan pada bagian yang tidak terkena api dianggap telah terbakar sesuai dengan prosedur pengujian ASTM E119. Hal ini dikarenakan rumus-rumus empiris yang digunakan merupakan hasil percobaan yang dilakukan sesuai dengan ASTM E119 yang menyatakan bahwa sebuah dinding dikatakan failure ketika terkena api adalah ketika kapas yang diletakkan di bagian yang tidak terkena api secara langsung telah terbakar.
pada desain baik dari segi ukuran maupun jenis beton yang digunakan. Karena banyaknya faktor yang mempengaruhi ketahanan api pada dinding maka perlu diketahui seberapa besar pengaruh perubahan salah satu faktor terhadap ketahanan api pada dinding. Analisa pertama dilakukan dengan mengganti jenis dinding yang digunakan yaitu dari dinding yang semula berlubang diganti dengan dinding solid tanpa lubang. Analisa dilakukan dengan data yang sama dengan studi kasus sebelumnya agar didapatkan perbandingan yang sesuai. Berikut ini adalah hasil analisanya.
Tahapan Desain Dinding Beton Tahan Api
Dapat dilihat dari perhitungan diatas bahwa dinding terbuka menghasilkan ketahanan api yang lebih rendah bila dibandingkan dinding tertutup. Gambar 0.16 berikut ini menunjukkan hubungan antara ketahanan api dan tinggi lubang pada dinding.
Seperti tahapan desain yang dilakukan pada pelat dan balok beton bertulang, tahapan desain pada dinding juga diawali dengan desain pendahuluan dimana bentuk dan ukuran dinding serta jenis beton ditentukan terlebih dahulu. Setelah itu dilakukan analisa kondisi eksisting untuk dinding yang telah di desain. Apabila dengan desain yang telah ditentukan sebelumnya dinding tersebut telah memenuhi ketahanan api yang diinginkan maka tahapan desain telah dianggap selesai. Namun apabila ketahanan api yang didapatkan dari dinding yang telah didesain sebelumnya belum memenuhi persyaratan maka perlu dilakukan perubahan-perubahan
1 2
Nilai ı ı = ı ı ı = 3.7 jam Hitung ketahanan api pada kondisi alami (moist condition) ı ı ı + 4ı ı (1 + ı Ø) ı = 4+ ıı 3.7ı + 4(3.7)(1 + 8(0.0725)) ı = 4 + 3.7 ı = 4.8 jam
Density Vs Ketahanan Api
4.00 2.00 0.00 0
50
100
150
Tinggi Lubang (mm)
Gambar 0.16.Hubungan Antara Tinggi Lubang Pada Dinding dengan Ketahanan Api Dari Gambar 0.16 dapat dilihat bahwa ketahanan api menurun seiring dengan naiknya tinggi lubang pada dinding. Dan dapat dilihat pula bahwa ketahanan api pada saat kondisi dinding tanpa lubang mencapai ketahanan yang paling tinggi yakni sebesar 3.67 jam. Hal ini disebabkan dengan adanya lubang pada dinding akan menyebabkan udara diluar terutama oksigen bereaksi dengan api sehingga menyebabkan api lebih cepat membesar sehingga temperatur pun ikut meningkat. Dengan meningkatnya temperatur maka ketahanan api pun menjadi lebih rendah. Analisa selanjutnya dilakukan dengan mengubah berat jenis beton yang digunakan. Saat ini banyak bangunan menggunakan beton ringan sebagai material bangunan. Namun berat jenis beton ringan sangat beragam yakni mulai 800 Kg/m3 hingga 1850 Kg/m3. Oleh karena itu dilakukanlah analisa perbandingan antara kenaikan berat jenis beton ringan dengan waktu ketahanan api. Gambar 0.17 menununjukkan hubungan tersebut.
Ketahanan Api (Jam)
Ketahanan Api (Jam)
Tinggi Lubang Vs Ketahanan Api
1.80 1.60 1.40 1.20 1.00 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Density (kg/m3)
Gambar 0.17.Hubungan Berat Jenis beton Ringan dan Ketahanan Api Dari grafik didapatkan bahwa ketahanan api pada beton ringan sangat dipengaruhi oleh berat jenisnya dimana untuk dinding yang sama kenaikan berat jenis beton menyebabkan kenaikan ketahanan api pada dinding tersebut. Namun apabila digunakan beton normal maka ketahanan api yang dihasilkan menurun. Hal ini dikarenakan beton normal memiliki thermal conductivity yang lebih besar sehingga mempengaruhi kecepatan merambat api pada dinding tersebut akibatnya ketahanan api beton normal menjadi lebih rendah bila dibandingkan dengan beton ringan. Desain Kolom Beton Bertulang Tahan Api Desain kolom beton bertulang tahan api sama dengan desain pelat, balok maupun dinding yakni harus melewati tahap analisa kondisi eksisting terlebih dahulu. Analisa kondisi eksisting yang dilakukan pada kolom akan menghasilkan beban ultimate maksimum yang mampu dipikul kolom tersebut untuk menghasilkan ketahanan api tertentu. Setelah analisa kondisi eksisting selesai dilakukan maka beban ultimate yang dihasilkan harus dibandingkan dengan beban ultimate saat melakukan desain pendahuluan. Apabila beban ultimate saat desain kurang atau sama dengan beban ultimate yang dihasilkan saat analisa kondisi eksiting maka desain telah dianggap selesai. Namun apabila beban saat desain pendahuluan melebihi beban yang ultimate saat analisa kondisi eksisting maka perlu dilakukan perubahan terhadap desain perndahuluan.
Studi Kasus Diketahui sebuah kolom dengan penampang berukuran 200 mm x 300 mm dengan tulangan 6 Ø12. Kolom ini memiliki panjang 3.90 mkolom dibebani secara eksentris dengan e = 20 mm. Berapakah ultimate load (Nu) yang dapat dipikul oleh kolom tersebut agar mampu bertahan selama 2 jam apabila diketahui cover betonnya adalah 25 mm, f’c = 37.5 MPa dan fy = 493 MPa. No 1
2.
3
Calculation and Discussion List semua data yang ada h = 200 mm b = 300 mm 6Ø12 l = 3.90 m = 3900 mm e = 20 mm f’c = 35.7 MPa fy = 493 MPa t = 2 jam Hitung Luas Penampang Beton dan Tulangan Ac = h x b = 200 x 300 = 60000 mm2 =0.06 m2
Ref
As = 6 x (1/4 ı d2) = 6 x (1/4 ı 12) = 6.8x 10-4 Hitung rasio kelangsingan I = 1/12 b h3 = 1/12 x 300 x 2003 = 200000000 mm2 r =ı =ı
ı
ı
ııııııııı ııııı
= 57.73mm k=1
4
λ = kL/r = 1 x 3900/57.73 = 67.5 Menghitung Kelangsingan 20 ı .ı ı ı ı ı ı = 0.80 ı ı ı
4
ıııı ı ı ı ııı
Pers. (2.32)
Pers (2.34)
ıııı ıı ı ı
20 ı .ı ı ı ı ı ı ı ı ı = 0.80 ı ı 67.5 = 0.34 Menghitung nilai a1dan a2 ı ı = 0.3 ı ı ı ı ı .ı
Pers (11.27)
= 0.3 ı 0.06ı = 1.22
ı .ı
ı ı .ı ı
5
ıı = ıı = 0.06ı ı .ı ı = 2.02 Menghitung nilai β1 dan β2 1 ı ı ııı = ı 1 + ıı ı ı ııı ı 1 ı ı ııı = ı 1 + ı 1.22 ı 2ı ı .ı ı = 0.38
0.9ı > 0 0.046ı + 0.111 0.9ı > 0 ı ı ııı = 1 − 0.046(25) + 0.111 = -0.42 Maka diambil β2 = 0 ı ı ııı = 1 −
6
Menghitung nilai ııı =
1+
ı ıı ı 10 ı /ℎ
Pers (11.28)
Pers (2.26)
Pers (2.29)
Pers. (2.36)
1 − 3 ı 10ı ı ı ı ı ıı ı 0.34 ııı = 20 10 ( 200) 1+ 1 − 3 ı 10ı ı (67.5) ı 0.34
7 8
= 0.25 Hitung nilai spalling factor γ (t) = 0.85 karena t > 0.5 jam Hitung ultimate load ı ı = ı ı ı (ı ı (ı )ı ı ı ı ı ı + ı ı (ı )ı ı ı ı ı ı ) ı ı = 0.85ı 0.25ı ( 0.38ı 60000ı 35.7 + 0ı 678ı 493) ı ı = 172966.5 ı = 172.9 KN
Pers. (2.31) Pers. (2.23)
Time (Jam)
Time Vs Ultimate Load 6 4 2 0 0
100000 200000 300000 400000 Ultimate Load (N)
Gambar 0.18.Hubungan Waktu Ketahanan Api dengan Ultimate load Gambar 0.18 tersebut menunjukkan menunjukkan hubungan antara waktu ketahanan api dengan ultimate load yang mampu dipikul oleh sebuah kolom. Waktu ketahanan api dibuat berubah mulai dari satu jam hingga empat jam. Pada saat ketahanan api yang diinginkan hanya dalam waktu satu jam maka beban yang dapat dipikul adalah sebesar 311,664 N. Sedangkan pada saat ketahanan api yang diinginkan adalah 4 jam maka beban yang dapat dipikul hanya sebesar 91,035 N. Hal ini menunjukkanapabila ketahanan api yang diinginkan terus meningkat maka dapat dilihat beban yang mampu dipikul juga semakin berkurang. Analisa selanjutnya dilakukan dengan membandingkan antara peningkatan kuat tekan beton (f’c) dengan ultimate load yang dapat dipikul oleh sebuah kolom. Berikut ini adalah
grafik yang menunjukkan mengenai hubungan antara kuat tekan beton dan ultimate load.
Kuat Tekan Beton (MPa)
f'c Vs Ultimate Load 60 40 20 0 100000
150000
200000
250000
Ultimate Load (N)
Gambar 0.19.Hubungan Antara Kuat Tekan Beton dan Ultimate load Berdasarkan Gambar 0.19 tersebut dapat dlihat bahwa dengan ketahanan api yang sama, saat kuat tekan beton 25 MPa maka beban yang dapat dipikul oleh kolom tersebut adalah sebesar 121125 N. Sedangkan saat kuat tekan beton mencapai 50 MPa, beban yang dapat dipikul adalah sebesar 242250 N. Berdasarkan gambar diatas juga dapat dilihat bahwa seiring dengan meningkatnya kuat tekan beton maka dengan ketahanan api yang sama ultimate load yang dapat dipikul oleh kolom tersebut juga meningkat. Faktor geometri penampang juga menjadi salah satu hal yang mempengaruhi ultimate load yang dapat diterima suatu kolom. Faktor geometri pertama yang akan ditinjau adalah ketinggian penampang kolom (h). Berikut ini adalah grafik yang menunjukkan hubungan antara nilai h dan ultimate load.
h Vs Ultimate Load h (mm)
Banyak faktor yang mempengaruhi beban ultimate yang dapat dipikul oleh suatu kolom untuk mendapatkan ketahanan api tertentu seperti waktu ketahanan api yang diinginkan, mutu beton, faktor geometrik kolom. Berikut ini adalah analisa mengenai hubungan faktor-faktor tersebut terhadap beban yang dapat dipikul oleh sebuah kolom untuk mendapatkan ketahanan api tertentu. Analisa pertama dilakukan dengan mencari hubungan antara waktu ketahanan api yang diinginkan terhadap beban ultimate yang dapat dipikul oleh suatu kolom. Analisa ini menggunakan soal yang telah dibahas sebelumnya pada studi kasus. Berikut ini adalah grafik yang menunjukkan hubungan tersebut.
800 600 400 200 0 0
1000000
2000000
3000000
Ultimate Load (N)
Gambar 0.20.Hubungan Ketinggian Penampang Kolom (h) dan Ultimate load.
Gambar 0.20 tersebut menunjukkan dengan ketahanan api yang sama nilai ultimate load meningkat seiring dengan meningkatnya nilai h. Pada saat nilai h 200 mm, didapatkan nilai ultimate load sebesar 172967 N. Dapat dilihat pula bahwa saat nilai h 600 mm didapatkan nilai ultimate load sebesar 1965810 N. Selain ketinggian penampang, lebar penampang juga salah satu faktor yang dapat mempengaruhi nilai ultimate load yang dihasilkan dan berikut ini adalah hasilnya.
b (mm)
b Vs Ultimate Load 1000
KESIMPULAN DAN SARAN
500 0 0
200000
400000
600000
Ultimate Load (N)
Gambar 0.21.Hubungan Lebar Penampang (b) dengan Ultimate load Berdasarkan gambar tersebut dapat dilihat hal yang sama dengan grafik sebelumnya bahwa semakin besar nilai b maka kapasitas ultimate load yang dapat ditanggung semakin besar. Selain nilai b dan h faktor geometri lain yang mempengaruhi ultimate load yang dapat ditanggung adalah panjang kolom.
L Vs Ultimate Load Panjang Kolom (mm)
bahwa semakin besar unsiur geometri penampang dimana dalam hal ini adalah nilai b dan h maka semakin besar pula nilai ultimate load yang dapat dipikul oleh kolom tersebut. Namun pada analisa hubungan panjang kolom dan ultimate load dapat terlihat bahwa semakin besar nilai l maka semakin kecil nilai ultimate load yang dapat ditahan oleh kolom tersebut. Hal tersebut terjadi karena semakin panjang kolom maka kelangsingan yang dihasilkan akan semakin besar dan nilai rasio kelangsingannya akan menjadi semakin kecil sehingga nilai ultimate load yang dapat ditahan oleh kolom tersebut menjadi berkurang seiring dengan semakin panjangnya kolom tersebut.
10000 5000 0 100000
150000
200000
250000
Ultimate Load (N)
Gambar 0.22. Hubungan Panjang Kolom (L) dan Ultimate load Hal berbeda ditunjukkan oleh Gambar 0.22 dimana pada grafik sebelumnya terlihat
Kesimpulan Adapun kesimpulan yang dapat diambil dari penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut. 1. Desain elemen beton bertulang seperti pelat, balok, dinding maupun kolom dilakukan dengan dua tahapan yakni tahap analisa kondisi eksisting dan tahapan desain. 2. Tahapan analisa kondisi eksisting pada pelat, balok dan dinding merupakan suatu tahapan penentuan ketahananan api elemenelemen tersebut dari kondisi yang telah ada. Sedangkan pada kolom analisa kondisi eksisting merupakan suatu tahapan penentuan beban maksimum yang dapat dipikul sebuah kolom untuk mendapatkan ketahanan api tertentu. 3. Tahapan desain dilakukan dengan cara trial and error untuk mendapatkan ketahanan api yang diinginkan. Pada pelat, dinding dan balok tahapan ini dilakukan apabila pada tahapan analisa kondisi eksisting elemenelemen beton bertulang belum mendapatkan ketahanan api yang diinginkan sehingga perlu adanya perubahan-perubahan terhadap struktur tersebut seperti perubahan pada dimensi maupun material yang digunakan. Sedangkan pada kolom tahapan ini dilakukan apabila pada analisa kondisi eksisting kolom tersebut menerima beban yang lebih besar bila dibandingkan dengan beban ultimate yang diijinkan agar kolom tersebut mendapatkan ketahanan api tertentu.
Saran Adapun saran yang diberikan penulis adalah sebagai berikut. 1. Diharapkan ada penelitian atau studi lebih lanjut mengenai desain struktur beton bertulang tahan api karena studi ini masih terbatas pada elemen-elemen beton bertulang tanpa memperhitungkan hubungan antar elemen (sambungan). 2. Mengingat banyaknya kasus kebakaran yang terjadi di Indonesia saat ini diharapkan kepada para desainer agar memasukkan beban api saat mendesain elemen beton bertulang karena beban api mempengaruhi kekuatan elemen beton bertulang. DAFTAR PUSTAKA ACI 216R-89 tentang Guide For determaining The Fire Endurance of Concrete Elements ASTM E119 tentang Standard Test Methods for Fire Test of Building Construction Materials Baliley,Colin. 2008. Normal Weigh Concrete Mechanical Properties. Manchester Billow,D.N, dkk. 2008.Fire and Concrete Structure. ASCE Caldas, Rodrigo Bareto; Saosa, Joao Batista M & Fakury, Ricardo Hallal. 2010. Interaction Diagrams for Reinforced Concrete Subjcted to Fire. Engineering Structures 32, 2832-2838 Febriana,F. 2010. Pengaruh Suhu dan Waktu Pembakaran Beton Terhadap Kuat Tekan Beton. Sumatra Utara Gosain,N.K. Drexler, R.F.&Choudhuri,D. 2008. Evaluate and Repair of Fire Damaged Building. Structure Magazine.USA Gustaferro,AH & Lin, T.D. 1986. Rational Design Of Reinforced Concrete Members for Fire Resistance. Fire Safety Journal 11, 8598.USA Harmanthy,T.Z. & Allen L.W. 1972. Fire Endurance of selected Concrete Masonry Walls. National Research Council.Canada
Phan.T.L; McAllister P.T & Gross,L.J. 2009. Best Practice Guidelines for Structural Fire Resistance Design of Concrete and Steel Buildings. National Institute of Standard and Technology.USA Nugraha dan Antony. 2007. Pengaruh Variasi Lama Pembakaran Terhadap Kekuatan Baja Tulangan Beton Bertulang (disunting dari http://comes.umy.ac.id/file.php/1/arsip /ilmiah3/ pada tanggal 20 Mei 2011 pukul 18.30 WIB) Prihanto,Teguh. 2007. Pengertian dan Fungsi Dinding. (Disunting dari http://www.rekakita.com/2011/06/ pengertiandan-fungsi-dinding.html pada tanggal 6 Juni 2011) Rochman,Abdul. 2006. Gedung Pasca Bakar Estimasi Kekuatan Sisa Dan Teknologi Perbaikannya. (Disunting dari http://eprints.ums.ac.id/621/1/_7_AbdulRochma n.pdf pada tanggal 15 Juni 2011) Sari,Y.N.P. 2009. Analisa Kekuatan Elemen Balok dan Kolom Pasca Bakar Pada Gedung Teater Atrium Solo Baru.Surakarta Siwi. 2008. Re Desain Struktur Beton Bertulang Dengan Tipe D Pada Asrama Kaltim Ruhui Rahayu. Yogyakarta SNI 1740-2008 mengenai cara uji bakar bahan bangunan untuk pencegahan bahaya kebakaran pada bangunan rumah dan gedung SNI 1741-2008 tentang Cara uji ketahanan api komponen struktur bangunan untuk pencegahan bahaya kebakaran pada bangunan rumah dan gedung SNI 03-2847-2002 mengenai Tata Cara Perencanaan Perhitungan Struktur Beton Untuk Bangunan Gedung. Soebijoto, Hertanto.2011. Dicari, 2.550 Personel Dinas Pemadam Kebakaran. (http://regional.kompas.comread/2011/01 /28/1508450/Dicari.2.550.Personel.Dinas.Pemad am.Kebakaran)
