PENGARUH LOKASI BUKAAN GANDA TERHADAP KAPASITAS LENTUR DAN GESER BALOK BETON BERTULANG Ade Lisantono, Haryanto Yoso Wigroho
ABSTRAKSI Dilakukan suatu studi eksperimental tentang pengaruh lokasi bukaan ganda terhadap kapasitas lentur dan geser balok beton bertulang. Dibuat tiga balok beton bertulang yang terbuat dari beton normal dengan ukuran penampang (120x240) mm2. Satu balok dibuat tanpa bukaan yang dijadikan sebagai tolok ukur, sedangkan dua balok lainnya mempunyai bukaan dengan ukuran (80x240) mm2 yang ditempatkan secara simetris berturut-turut sejauh 360 mm dan 900 mm dari tengah bentang. Digunakan tulangan memanjang dan sengkang yang sama untuk ketiga balok. Pada daerah sekitar bukaan diberi tulangan tambahan untuk mencegah retak awal di daerah sekitar bukaan. Pengujian dilakukan secara monotonik dengan beban satu titik di tengah bentang. Hasil pengujian menunjukkan bahwa balok dengan bukaan yang ditempatkan di daerah lentur rendah-geser tinggi memberikan beban maksimum yang sama dengan balok tanpa bukaan. Sedangkan balok dengan bukaan yang ditempatkan di daerah lentur tinggi-geser tinggi secara umum menunjukkan kecenderungan penurunan kapasitas beban dan kekakuan apabila dibandingkan balok dengan bukaan yang ditempatkan di daerah lentur rendah-geser tinggi. Kata kunci : balok beton bertulang, lokasi bukaan ganda, monotonik, kapasitas lentur dan geser.
1. PENDAHULUAN Pada pembangunan gedung-gedung bertingkat, jaringan utilitas seperti perpipaan dan kabel biasanya ditempatkan di ruang kosong antara langit-langit dan balok lantai. Penempatan tersebut mengakibatkan penggunaan ruang antar tingkat menjadi berkurang. Dengan melewatkan jaringan utilitas tersebut melalui suatu bukaan melintang pada badan balok lantai, maka ruang kosong antara langit-langit dan balok lantai dapat dikurangi. Pengurangan tersebut menjadikan penghematan perancangan yang cukup signifikan apabila diaplikasikan pada bangunan bertingkat tinggi karena komulatif tinggi bangunan menjadi berkurang. Namun demikian, adanya bukaan besar pada badan balok akan mengubah perilaku mekanik balok, hal ini disebabkan terjadi perubahan secara tiba-tiba pada penampang balok serta pemusatan tegangan pada sudut-sudut bukaan yang mengakibatkan berkurangnya kekuatan dan kemampu-layanan balok tersebut (Tanijaya et al., 2002). Dimensi bukaan yang diperlukan tergantung pada kuantitas jaringan utilitas yang akan dilewatkan. Semakin banyak jaringan utilitas yang akan dilewatkan, akan semakin besar dimensi bukaan yang dibutuhkan. Untuk mengakomodasi kebutuhan bukaan yang terlampau besar, pada umumnya digunakan multi bukaan dimana jumlah bukaan lebih dari satu buah. Pengaruh Lokasi Bukaan Ganda Terhadap Kapasitas Lentur Dan Geser Balok Beton Bertulang (Ade Lisantono, Haryanto Yoso Wigroho)
105
Studi secara eksperimental maupun analitis tentang balok beton bertulang dengan satu bukaan sudah banyak dilakukan. Bahkan studi tersebut sudah menghasilkan prosedur disain untuk balok beton bertulang dengan satu bukaan (Mansur et al., 1985; Tan & Mansur, 1996; Mansur, 1999; Tan et al., 2001). Namun prosedur disain tersebut tidak dapat diterapkan untuk balok beton bertulang dengan multi bukaan. Tan et al.(1996) dalam penelitiannya diperoleh bahwa unjuk kerja balok dengan multi bukaan lebih disukai dipandang dari sisi kekuatan dan kemampu-layanannya. Oleh karena itu perlu penelitian dan kajian yang mendalam tentang perilaku balok beton bertulang dengan multi bukaan. Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk mempelajari pengaruh lokasi bukaan ganda terhadap kapasitas lentur dan geser balok beton bertulang. Dengan dipelajari pengaruh lokasi bukaan tersebut, akan diperoleh informasi mengenai penempatan atau lokasi bukaan yang tidak membahayakan bagi struktur balok beton bertulang.
2. BATASAN MASALAH Lokasi bukaan yang ditinjau dalam penelitian ini adalah lokasi bukaan yang divariasikan secara horizontal, sedangkan lokasi bukaan yang divariasikan secara vertikal (membentuk eksentrisitas terhadap sumbu memanjang balok) tidak ditinjau. Kapasitas balok beton bertulang yang ditinjau terbatas pada kapasitas lentur dan geser.
3. TINJAUAN PUSTAKA Perancangan suatu balok di atas perletakan sederhana dengan bukaan yang ditempatkan pada daerah yang dibebani kombinasi lentur dan geser telah dilakukan para peneliti (Lorensten, 1962; Nasser et al., 1967; Ragan & Wawaruk, 1967; Douglas & Gambrell, 1974; dan Barney et al., 1977). Penelitian tersebut dilakukan terhadap beban terpusat dan bukaan ditempatkan pada bagian balok yang tidak terkena beban secara langsung sehingga bukaan terbebas dari beban luar. Untuk kondisi yang demikian, beberapa peneliti berasumsi bahwa elemen bukaan atas dan bawah (chord atas dan bawah) berperilaku seperti chord panel Vierendeel dengan titik balik lentur (contraflexure point) terletak di tengahtengah panjang chord. Momen lentur luar ditahan oleh resultante tegangan tarik dan tekan pada elemen chord yang diperoleh dari keseimbangan. Dengan beranggapan bahwa gaya geser ditahan oleh salah satu chord maka balok menjadi statis tertentu. Penampang kritis pada setiap sudut bukaan yang dikenai kombinasi lentur, geser, dan gaya aksial dapat dirancang dengan peraturan yang sudah ada. Namun permasalahan yang ada adalah mengenai distribusi atau pembagian total gaya geser yang dipikul oleh kedua chord atas dan bawah. Beberapa peneliti (Nasser et al., 1967; Ragan dan Wawaruk, 1967) mengusulkan bahwa jumlah gaya geser yang dipikul oleh masing-masing elemen chord dapat didistribusikan sesuai luas penampangnya. Sedangkan peneliti lainnya (Barney et al., 1977) berpendapat bahwa distribusi gaya gesernya sesuai dengan kekakuan lenturnya dan Mansur et al. (1984) mengusulkan bahwa jumlah gaya geser yang dipikul oleh setiap chord tidak hanya tergantung sifat-sifat penampangnya, tetapi juga tergantung pada ukuran dan lokasi bukaan. Berdasarkan permasalahan-permasalahan tersebut telah diusulkan beberapa disain untuk balok beton bertulang dengan bukaan (Mansur et al., 1985; Tan & Mansur, 1996; Mansur, 1999; Tan et al., 2001). Salah satu dari usulan tersebut (Tan dan Mansur, 1996) memberi rekomendasi bahwa usulan disain mereka dapat diterapkan untuk balok beton
106
Volume 6 No. 2, April 2006 : 105 - 115
bertulang dengan multi bukaan. Namun demikian rekomendasi tersebut perlu dikaji dan divalidasi dengan data hasil eksperimental.
4. PROGRAM EKSPERIMENTAL 4.1 Spesimen Tiga buah balok uji masing-masing dengan bentang bersih 3000 mm dengan penampang (120x240) mm diletakkan di atas tumpuan sederhana. Satu balok tanpa bukaan (BS) sebagai tolok ukur (lihat Gambar 1), sedangkan dua balok lainnya (BO1 dan BO3) dengan bukaan (80x240) mm2 yang diletakkan secara simetris berturut-turut sejauh 360 mm dan 900 mm dari tengah bentang (lihat Gambar 2 dan 3). A
100
100
3000
240
120
POT. A
Gambar 1. Balok BS
360
B
100
900
B
240
720
240
900
100
80 80
240
80
120
POT. B
Gambar 2. Balok BO1 Pengaruh Lokasi Bukaan Ganda Terhadap Kapasitas Lentur Dan Geser Balok Beton Bertulang (Ade Lisantono, Haryanto Yoso Wigroho)
107
900
B
100
360
B
240
1800
240
360
100
80
80
240
80
120
POT. B
Gambar 3. Balok BO3 Digunakan tulangan memanjang dan tulangan sengkang yang sama untuk ketiga balok uji. Tulangan atas dan bawah berturut-turut digunakan tulangan 2 D13 mm dan 2 D16 mm, sedangkan tulangan sengkang digunakan tulangan 6-100 mm. Khusus untuk daerah di sekitar bukaan diberi tambahan tulangan diagonal D13 mm sedangkan pada chord atas dan bawah masing-masing diberi tambahan tulangan 2 D13 mm dan sengkang 6-50 mm. Untuk detail penulangan dari ketiga balok uji BS, BO1, dan BO3 berturut-turut diperlihatkan pada Gambar 4, 5, dan 6.
A
2D13
2D16 100
100
SK. Ø6-100
3000 13
94 13 2D13
13
Ø6-100
240 214
13 2D16
120
Gambar 4. Ditail penulangan balok BS
108
Volume 6 No. 2, April 2006 : 105 - 115
B
2D13
B
2D16 100
SK. Ø6-100
Ø6-50
SK. Ø6-100
Ø6-50
SK. Ø6-100
900
240
720
240
900
13
100
94 13 2D13
80
Ø6-50 2D13
240 80
2D13 Ø6-50
80
2D16
120
POT. B Gambar 5. Ditail penulangan balok BO1
B
B
2D13
2D16 100
SK. Ø6-100
360
Ø6-50
SK. Ø6-100
Ø6-50
SK. Ø6-100
240
1800
240
360
13
100
94 13 2D13
80
Ø6-50 2D13
240 80
2D13 Ø6-50
80
2D16
120
POT. B Gambar 6. Ditail penulangan balok BO3
Pengaruh Lokasi Bukaan Ganda Terhadap Kapasitas Lentur Dan Geser Balok Beton Bertulang (Ade Lisantono, Haryanto Yoso Wigroho)
109
4.2 Material Untuk pembuatan material beton digunakan agregat halus asal Krasak dengan ukuran maksimum 4,750 mm, agregat kasar asal Clereng dengan ukuran maksimum 19 mm, dan semen tipe I, serta air yang berasal dari Laboratorium Struktur dan Bahan Bangunan, Universitas Atma Jaya Yogyakarta. Kekuatan tekan silinder beton (150x300 mm2) rata-rata umur 28 hari sebesar 44,516 MPa. Tegangan leleh baja tulangan diameter 6, 13, dan 16 mm berturut-turut sebesar 338,71; 317,59; dan 345,24 MPa. 4.3 Setup Pengujian dan Instrumentasi ENERPAC
BENDA UJI
DIAL GAUGE 100
1 2 3 120 120
1500
1500
100
Gambar 7. Setup pengujian balok Setup pengujian balok seperti diperlihatkan pada Gambar 7. Pembebanan menggunakan alat Enerpac dengan kapasitas beban sebesar 100 kN. Untuk mengukur defleksi balok digunakan Dial gauge kapasitas 50 mm. Dial gauge dipasang ditengah bentang dan di kiri kanannya sejauh 120 mm dari tengah bentang (lihat Gambar 7). Untuk mengantisipasi apabila defleksi balok lebih dari 50 mm, maka pada tengah bentang dipasang dua buah Dial gauge yang dipasang sedemikian rupa sehingga apabila defleksi balok lebih dari 50 mm bisa diukur oleh Dial gauge berikutnya.
5. HASIL DAN PEMBAHASAN 5.1 Pola retak Pola retak balok BS, BO1, dan BO3 berturut-turut diperlihatkan pada Gambar 8, 9, dan 10. Pada semua balok uji, retak pertama terjadi pada serat paling bawah, kurang lebih di tengah bentang. Retak awal yang terjadi pada tengah bentang tersebut dapat dikatakan sebagai retak lentur (flexural crack), oleh karena pola retaknya cenderung membentuk garis vertikal, tegak lurus sumbu memanjang balok. Seiring dengan bertambahnya beban, terjadi pula retakan disamping kiri kanan retak pertama. Pola retak yang terjadi mengalami perubahan sudut, yaitu membentuk sudut kemiringan terhadap sumbu memanjang balok. Pola retak ini mengarah pada retak geser lentur, dimana retaknya membentuk sudut kemiringan terhadap sumbu memanjang balok.
110
Volume 6 No. 2, April 2006 : 105 - 115
Gambar 8. Pola retak balok BS
Gambar 9. Pola retak balok BO1
Gambar 10. Pola retak balok BO3.
Pengaruh Lokasi Bukaan Ganda Terhadap Kapasitas Lentur Dan Geser Balok Beton Bertulang (Ade Lisantono, Haryanto Yoso Wigroho)
111
Gambar 8, 9, dan 10 juga memperlihatkan bahwa retak-retak yang terjadi terkonsentrasi di bawah beban sedangkan di daerah sekitar bukaan tidak terjadi retak yang berlebihan. Hal ini mengindikasikan bahwa tulangan tambahan yang ditempatkan di sekitar bukaan mampu mencegah terjadinya retak prematur akibat konsentrasi tegangan yang terjadi di sudut-sudut bukaan. 5.2 Kurva beban-defleksi Kurva beban-defleksi dari ketiga balok uji (BS, BO1, dan BO3) diperlihatkan pada Gambar 11. 3000
Beban (kg)
2500 2000 1500 1000 BS BO1
500
BO3
0 0
20
40
60
80
100
120
Defleksi (mm)
Gambar 11. Kurva beban-defleksi balok uji Gambar 11 memperlihatkan bahwa sebelum terjadi retak pertama pada beton, kurva beban-defleksi meningkat secara linear. Setelah retak, kurva meningkat secara nonlinear sampai beban mencapai maksimum, namun dengan sudut kemiringan kurva yang lebih kecil dari pada sebelum retak. Hal ini menunjukkan adanya penurunan kekakuan balok oleh karena terjadi retak pada beton. Setelah mencapai beban maksimum, beban tidak bertambah namun defleksi balok semakin bertambah besar sehingga kurva terlihat mendatar dalam waktu yang relatif agak lama sampai akhirnya pembebanan dihentikan oleh karena dial gauge untuk pengukuran defleksi sudah mencapai pengukuran yang maksimum. Peningkatan kurva yang terjadi secara nonlinear sampai kurva cenderung mendatar tersebut menunjukkan adanya daktilitas yang cukup besar dari ketiga balok uji. Gambar 11 juga memperlihatkan bahwa kurva balok dengan bukaan yang ditempatkan di daerah lentur rendah-geser tinggi (BO3) tidak menunjukkan adanya perbedaan yang cukup signifikan dengan balok tanpa bukaan (BS). Sedangkan balok dengan bukaan yang ditempatkan di daerah lentur tinggi-geser tinggi (BO1) menunjukkan adanya penurunan kekakuan yang cukup signifikan setelah terjadi retak pertama. Hal ini terlihat dengan adanya kurva yang cenderung mendatar setelah terjadi retak pertama sampai defleksi mencapai kurang lebih 20 mm. Fenomena tersebut menunjukkan bahwa balok dengan bukaan yang ditempatkan di daerah lentur rendah-geser tinggi mempunyai kekakuan yang lebih baik apabila dibandingkan dengan balok dengan bukaan yang ditempatkan di daerah lentur tinggigeser tinggi.
112
Volume 6 No. 2, April 2006 : 105 - 115
5.3 Retak pertama dan beban maksimum Beban pada saat retak pertama dan maksimum yang dicapai balok BS, BO1, dan BO3 diperlihatkan pada Tabel 1. Tabel 1 memperlihatkan bahwa beban pada saat retak pertama pada balok dengan bukaan dan balok tanpa bukaan dicapai pada nilai yang sama, yaitu pada saat beban mencapai 1.999,80 kg. Hal ini mengindikasikan bahwa tambahan tulangan 2 D 13 mm pada masing-masing chord atas dan bawah dan tulangan diagonal yang ditempatkan di daerah sekitar bukaan bekerja dengan baik, sehingga dapat mencegah terjadinya retak awal atau retak prematur di daerah sekitar bukaan akibat konsentrasi tegangan. Tabel 1. Beban pada saat retak pertama dan maksimum Balok
Retak pertama (kg)
Beban maksimum (kg)
BS
1999,80
2599,74
BO1
1999,80
2549,74
BO3
1999,80
2599,74
Tabel 2. Perbandingan beban pada defleksi yang hampir sama Balok BS BO1 BO3 BS BO1 BO3 BS BO1 BO3 BS BO1 BO3
Defleksi (mm)
Beban (kg)
14,26
2099,79
14,63
1999,80
15,87
2099,79
32,15
2299,77
32,71
2149,78
33,89
2299,77
36,59
2349,76
36,32
2199,78
36,90
2349,76
65,27
2549,75
66,41
2449,76
66,46
2599,74
Tabel 1 memperlihatkan bahwa balok BO3 dan BS mempunyai beban maksimum yang sama yaitu 2.599,74 kg. Hal tersebut menunjukkan bahwa balok dengan bukaan ukuran (80 x 240) mm2 yang ditempatkan pada daerah lentur rendah-geser tinggi tidak mengurangi kapasitas balok. Tabel 1 juga memperlihatkan bahwa beban maksimum yang dicapai oleh balok BO1 sedikit lebih kecil apabila dibandingkan dengan balok BS dan BO3. Walaupun Pengaruh Lokasi Bukaan Ganda Terhadap Kapasitas Lentur Dan Geser Balok Beton Bertulang (Ade Lisantono, Haryanto Yoso Wigroho)
113
persentase penurunannya cukup kecil (1,92 %), namun apabila dilihat pada Gambar 11 terlihat bahwa kurva balok BO1 secara umum berada dibawah kurva balok BS dan BO3 (lihat pula perbandingan beban pada Tabel 2 untuk masing-masing balok pada saat tercapai defleksi yang hampir sama). Hal ini mengindikasikan bahwa balok dengan bukaan yang ditempatkan di daerah lentur tinggi-geser tinggi secara umum menunjukkan penurunan kapasitas beban apabila dibandingkan balok dengan bukaan yang ditempatkan pada daerah lentur rendah-geser tinggi.
6. KESIMPULAN Berdasarkan hasil studi eksperimental tersebut di atas, dapat diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Retak-retak yang berlebihan dari ketiga balok uji (BS, BO1, dan BO3) terjadi di daerah sekitar bawah beban. Di daerah sekitar bukaan tidak terjadi konsentrasi retak-retak yang berlebihan. Hal ini mengindikasikan bahwa tulangan tambahan yang dipasang di daerah sekitar bukaan dapat mencegah terjadinya retak-retak prematur di daerah sekitar bukaan akibat konsentrasi tegangan di sudut-sudut bukaan. 2. Balok dengan bukaan yang ditempatkan di daerah lentur rendah-geser tinggi (BO3) tidak menunjukkan adanya perbedaan yang cukup signifikan dengan balok tanpa bukaan (BS). Sedangkan balok dengan bukaan yang ditempatkan di daerah lentur tinggi-geser tinggi (BO1) menunjukkan adanya penurunan kekakuan yang cukup signifikan setelah terjadi retak pertama. Fenomena tersebut juga menunjukkan bahwa balok dengan bukaan yang ditempatkan di daerah lentur rendah-geser tinggi mempunyai kekakuan yang lebih baik apabila dibandingkan dengan balok dengan bukaan yang ditempatkan di daerah lentur tinggi-geser tinggi. 3. Balok dengan bukaan di daerah lentur rendah-geser tinggi mempunyai kapasitas beban yang sama dengan balok tanpa bukaan. Sedangkan balok dengan bukaan yang ditempatkan di daerah lentur tinggi-geser tinggi (BO1) secara umum menunjukkan kecenderungan adanya penurunan kapasitas beban apabila dibandingkan dengan balok dengan bukaan yang ditempatkan di daerah lentur rendah-geser tinggi (BO3).
DAFTAR PUSTAKA Barney, G.B., Corley, W.G., Hanson, G.M., and Parmelee, R.A., 1977, Behavior and design of prestressed concrete beams with large web openings, Journal of Prestressed Concrete Institute, Vol. 22, No. 6, November-December, 32-61. Douglas, T. R., and Gambrell, S.C. (1974), Design of beams with off-center web openings, Proceeding ASCE, Vol. 100, ST. 6, June, 1189-1203. Lorentsen, M. (1962), Holes in reinforced concrete girders, BYGGMASTAREN, Vol. 41, No. 7, July, 141-152. Translated from Swedish by PCA, Chicago, Illinois. Mansur, M.A. (1999), Design of reinforced concrete beams with small opening under combined loading, ACI Structural Journal, Vol. 96, No. 5, September-October, 675682. Mansur, M.A., Tan, K.H., and Lee, S.L. (1984), Collapse loads of R/C beam with large opening, Journal of the Structural Division, ASCE, Vol. 110, No. 11, November, 2602-2618. 114
Volume 6 No. 2, April 2006 : 105 - 115
Mansur, M.A., Tan, K.H., and Lee, S.L. (1985), Design methods for reinforced concrete beams with large opening, ACI Journal, Vol. 82, July-August, 517-524. Nasser, K.W., Acavalos, A., and Danile, H.R. (1967), Behaviour and design of large opening in reinforced concrete beams, ACI Journal, Vol. 64, No.1, January, 25-33. Ragan, H.S., and Warwaruk, J. (1967), Tee members with large web openings, Journal of Prestressed Concrete Institute, Vol. 12, No. 4, August, 52-65. Tan, K.H., and Mansur, M.A. (1996), Design procedure for reinforced concrete beams with large web opening, ACI Journal, Vol. 93, No. 4, July-August, 404-410. Tan, K.H., Mansur, M.A., and Huang, L.M. (1996), Reinforced concrete T-beams with large web opening in positive and negative moments regions, ACI Journal, Vol. 93, No. 3, May-June, 277-289. Tan, K.H., Mansur, M.A., and Wei, W. (2001), Design of reinforced concrete beams with circular openings, ACI Structural Journal, Vol. 98, No.3, May-June, 407-415. Tanijaya, J., Besari, M.S., Suhud, R., dan Soemardi, B.W. (2002), Perilaku mekanik balok-T beton bertulang hibrida dengan bukaan pada badan akibat beban monotonik, Jurnal Media Teknik, UGM, Yogyakarta, No. 2, Tahun XXIV, Edisi Mei.
RIWAYAT PENULIS Dr. Ir. Ade Lisantono, M.Eng., adalah staf pengajar pada Program Studi Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Atma Jaya Yogyakarta. Ir. Haryanto Yoso Wigroho, MT., adalah staf pengajar pada Program Studi Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Atma Jaya Yogyakarta.
Pengaruh Lokasi Bukaan Ganda Terhadap Kapasitas Lentur Dan Geser Balok Beton Bertulang (Ade Lisantono, Haryanto Yoso Wigroho)
115
