PERHITUNGAN KEHILANGAN PRATEKAN (LOSS OF PRESTRESS) AKIBAT SUSUT DAN RANGKAK PADA BETON DENGAN MEMPERHITUNGKAN VARIABILITAS SIFAT-SIFAT BETON M. Sigit Darmawan Dosen Diploma Teknik Sipil ITS Email:
[email protected] ABSTRAK Salah satu tahapan perhitungan yang penting untuk perhitungan konstruksi beton pratekan adalah perhitungan besarnya kehilangan pratekan (loss of prestress). Yang menjadi salah satu penyebab terjadinya kehilangan pratekan adalah akibat adanya susut dan rangkak pada beton. Pada umumnya perhitungan kehilangan pratekan dilakukan dengan memakai anggapan bahwa semua variabel yang berpengaruh bersifat deterministik. Anggapan ini menjadi kurang tepat bila dikaitkan dengan sifat-sifat beton yang mempunyai tingkat variabilitas yang cukup tinggi. Pada studi ini akan disajikan perhitungan kehilangan pratekan akibat susut dan rangkak pada beton dengan memperhitungkan variabilitas sifat-sifat beton. Variabitas beton akan dimasukkan dalam analisa perhitungan dengan memakai teori kemungkinan (probability analysis). Mengingat sangat terbatasnya data parameter statistik beton untuk kondisi Indonesia, maka parameter statistik beton yang diperlukan untuk perhitungan kehilangan pratekan akan diambil dari berbagai penelitian sebelumnya yang pada umumnya dilakukan di luar Indonesia. Hasil studi menunjukkan bahwa memasukkan variabilitas sifat-sifat beton mempunyai efek yang cukup besar terhadap besarnya kehilangan pratekan. Kehilangan pratekan akibat susut, rangkak dan kombinasi susut dan rangkak mempunyai mempunyai rata-rata sebesar 3.6%, 11.6% dan 14.8%, dengan koefisien penyebaran sebesar 53%, 30% dan 31%. Kata kunci: Kehilangan Pratekan, Susut, Rangkak, Probability Analysis
1. PENDAHULUAN Perhitungan kehilangan pratekan (loss of prestress) merupakan salah satu tahapan yang penting dalam pehitungan konstruksi beton pratekan. Besarnya kehilangan pratekan menentukan seberapa besar gaya yang diperlukan untuk pemberian pratekanan agar struktur beton pratekan mampu memikul beban-beban yang direncanakan secara efektif. Meskipun kesalahan dalam perhitungan kehilangan pratekan, tidak mempunyai dampak yang berarti terhadap kekuatan maksimum penampang beton pratekan, kesalahan dalam perkiraan kehilangan pratekan mempunyai efek yang besar terhadap tingkat pelayanan (serviceability) dari struktur beton pratekan. Masalah yang mungkin timbul akibat kurang tepatnya
ISBN No. 978-979-18342-0-9
B-106
perkiraan kehilangan pratekan adalah terjadinya lendutan (camber) yang berlebihan dan atau retak yang berlebihan. Pada umumnya perhitungan kehilangan pratekan dilakukan dengan anggapan semua parameter beton bersifat deterministik (dapat ditentukan dengan pasti). Tentu saja anggapan ini kurang tepat bila dikaitkan dengan sifat-sifat material beton yang pada umumnya mempunyai tingkat variabilitas (ketidaktentuan) yang cukup besar. Pada studi ini akan dilakukan perhitungan kehilangan pratekan akibat susut dan rangkak pada beton dengan memasukkan variabitas sifat-sifat beton. Variabilitas sifat-sifat beton akan diperhitungkan dengan memakai analisa teori kemungkinan (probability analysis).
Perhitungan Kehilangan Pratekan (Loss Of Prestress) Akibat Susut Dan Rangkak Pada Beton Dengan Memperhitungkan Variabilitas Sifat-Sifat Beton
2. TINJAUAN PUSTAKA Perhitungan kehilangan pratekan lazimnya dilakukan dengan mengacu kepada perumusan empiris yang diberikan oleh peraturan beton (code). Salah satu code yang memberikan perumusan yang cukup jelas tentang cara-cara perhitungan kehilangan pratekan akibat susut dan rangkak pada beton adalah AS 3600 [3]. Sebaliknya untuk ACI 318 [1] tidak memberikan perumusan tertentu untuk memperhitungkan kehilangan pratekan akibat kedua faktor tersebut. Seperti diketahui susut dan rangkak adalah deformasi beton yang tergantung waktu dan meningkat dengan bertambahnya waktu. Selain itu besarnya rangkak juga dipengaruhi besarnya tegangan yang bekerja. Ada beberapa model yang dapat digunakan untuk memprediksi kedua fenomena tersebut, mulai perumusan sederhana seperti yang diberikan dalam peraturan beton (code), sampai dengan perumusan yang cukup komplex seperti diusulkan oleh Bazant and Baweja [5]. Beberapa peneliti (antara lain Gilbert [7]; Koutsoukis [10]; Khor [9]) telah melakukan studi perbandingan berbagai model untuk perhitungan susut dan rangkak pada beton, termasuk perumusan yang diberikan oleh peraturan beton seperti AS 3600 [3], ACI 209 [2], CEB-FIP [6]. Namun demikian hasil studi perbandingan tersebut, belum dapat menyimpulkan apakah model tertentu memprediksi lebih baik dibandingkan dengan model yang lain. Hasil studi perbandingan tersebut juga menunjukkan ada perbedaan yang cukup besar antara model yang satu dengan yang lainnya serta kurang berhasil dalam memprediksi data tes yang tersedia (Gilbert [7]). Hasil studi juga menghasilkan kesimpulan bahwa perumusan AS 3600 memberikan nilai yang merupakan rata-rata dari model yang lainnya. Berdasarkan hasil studi tersebut, maka pada penelitian ini akan dipakai AS 3600 untuk menentukan besarnya susut dan rangkak pada beton.
ISBN No. 978-979-18342-0-9
3. PERUMUSAN CREEP DAN SUSUT BETON 3.1 Susut Beton Regangan akibat susut pada beton pada umur t (hari) dapat ditentukan dengan perumusan sebagai berikut
ε cs ( t ) = k 1 ε cs.b ................................(1) dimana εcs.b is regangan susut dasar rencana (basic design shrinkage strain) dan k1 adalah factor modifikasi untuk memasukkan pengaruh:(i)umur beton; (ii)tipe lingkungan; dan (iii) ukuran dan bentuk penampang. Bila tidak ada data dari hasil tes untuk menentukan εcs.b, AS 3600 [3] menyarankan untuk memakai nilai sebesar 700x10-6. Namun demikian perlu dicatat bahwa nilai sebenarnya εcs.b bervariasi antara 500x10-6 s/d 1000x10-6. Sedangkan nilai k1 ditentukan sesuai perumusan Gilbert [7] sebagai berikut k1 =
k 4 k 5 ( t − t c ) 0 .7 ( t − t c ) 0.7 + k 6
...........................(2)
dimana
k 4 = 0.62 + 1.5e −.005 t h .......................(3)
4.0 − 0.04 × h .........................(4) 3 t k 6 = h ........................................(5) 7 k5 =
dan tc waktu (dalam hari) ketika curing dihentikan. Pada persamaan diatas h adalah rata-rata kelembaban tahunan (%), and th adalah tebal teoritis penampang (mm) yang didefinisikan sebagai
th =
2A g ue
.....................................(6)
dengan Ag adalah luas penampang total dan ue adalah keliling penampang yang berhubungan langsung dengan udara.
B-107
M. Sigit Darmawan
3.2. Rangkak Beton
1.50
Regangan akibat rangkak pada beton pada umur t (hari) dapat dihitung dengan perumusan
1.25
k
3
ε cc (t ) = φ cc ( t )
fc ......................(7) E c (28)
1.00
0.75
0.50
dimana
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50 '
Strengh Ratio at Prestressing Tranfer (f /f ) c
φ cc (t ) = k 2 k 3φ cc.b ............................(8) dimana fc adalah tegangan pada beton, Ec(28) adalah modulus elastis beton pada umur 28 hari, φ cc.b adalah factor rangkak dasar (basic creep factor), yang tergantung pada kuat tekan beton (lihat Tabel 1). Perlu dicatat bahwa nilai φ cc. b dapat bervariasi sampai dengan ±30%. Adapun k2 adalah factor modifikasi seperti halnya faktor k1 pada perhitungan susut and k3 faktor untuk memperhitungkan umur beton pada saat beban dikerjakan (lihat Gambar 1). Nilai k2 dihitung dengan k2 =
k 7 k 8 ( t − t a ) 0 .7
......................(9)
( t − t a ) 0.7 + k 9
dimana
k 7 = 0.76 + 0.9e −.008t h .....................(10)
k 8 = 1.37 − 0.011× h .....................(11)
Gambar 1: Koefisien Rangkak k3.
3.3. Parameter Statistik Yang Dipakai Mengingat tidak tersedianya data penelitian tentang susut dan rangkak pada beton di Indonesia, maka parameter statistik yang akan dipakai untuk perhitungan kehilangan pratekan dengan memakai analisa teori kemungkinan adalah memakai parameter statistik yang berasal dari penelitian di luar Indonesia (lihat Tabel 2). Analisa teori kemungkinan akan dilakukan dengan melakukan simulasi Monte Carlo. Simulasi Monte Carlo dilakukan dengan memasukkan sebuah nilai dari setiap variabel yang terlibat kedalam perumusan kehilangan pratekan dengan secara acak (random) sesuai dengan tipe distribusinya. Langkah ini dilakukan berulangkali untuk mendapatkan nilai kehilangan pratekan yang dapat diterima secara statistik, misalnya dengan melakukan 1000000 simulasi. Dengan tersedianya perangkat keras komputer yang relatif cepat, simulasi sebanyak ini telah dapat dilakukan dalam waktu yang relatif singkat.
k 9 = 0.15t h ..................................(12) dan ta umur dikerjakan.
(hari)
pada
saat
beban
TABEL 1 FAKTOR RANGKAK DASAR
φ cc.b .
f’c (MPa)
20
25
32
40
50
φ cc.b
5.2
4.2
3.4
2.5
2.0
ISBN No. 978-979-18342-0-9
c
B-108
Perhitungan Kehilangan Pratekan (Loss Of Prestress) Akibat Susut Dan Rangkak Pada Beton Dengan Memperhitungkan Variabilitas Sifat-Sifat Beton
TABEL 2 PARAMETER STATISTIK YANG DIPAKAI Parameter
Rata-rata
COV
εcs.b (regangan susut dasar rencana)
750 x10-6
144x x106
Uniform (5001000)x10-6
φ cc.b (faktor rangkak dasar) f’c (Mpa) (kuat tekan beton) Ec (t) (MPa) (modulus elastis beton)
2.5
4600
Uniform (3.251.75)
0.43
sb= 6
F’ac + 7.5
H (mm) (Tinggi balok)
Distribution Referensi
Lognormal
AS 3600 [3]
B (mm) (lebar balok)
Normal
Bnom+2.5
S= 3.7
Normal
1.0
0.34
Normal
1.0
0.23
Normal
AS 3600 [3] ME(Susut) Attard and Stewart [4]
ME(Rangkak)
Mirza et al. [11]
f c' ( t )
Hnom+0.8
s= 3.6
MEc (Ec(t))
1.0
0.12
Normal
-
Ep (MPa) (modulus elastis baja)
195000
0.02
Normal
Mirza et al. [12]
Mirza and McGregor [13] Mirza and McGregor [13] Bazant and Baweja [5] Bazant and Baweja [5]
RH (%) (kelembaban 80% 0.1 Normal relatif) a ’ b F c , kuat tekan karakteristik; s, standar deviasi, COV=koefisien variasi;c ME,Model Error
Stewart [14]
5. HASIL YANG DIPEROLEH 4. APLIKASI PERHITUNGAN Sebagai contoh perhitungan, maka dilakukan perhitungan kehilangan pratekan untuk balok pratekan dengan dimensi seperti Gambar 2.
675
900
Selanjutnya dilakukan perhitungan besarnya kehilangan pratekan akibat susut dan rangkak pada beton setelah umur 30 tahun, dimana pada umumnya pada umur ini nilai kehilangan pratekan telah mencapai nilai maksimum. Hasil perhitungan kehilangan pratekan disajikan secara berurutan pada Gambar 3, 4 dan 5. Kehilangan pratekan dinyatakan dalam persen terhadap besarnya tegangan awal baja pratekan (fsi).
Aps
1.2 10
5
1 10
5
8 10
4
6 10
4
4 10
4
2 10
4
Count
300 Gambar 2: Balok Pratekan 30 cm x 90 cm .
Sedangkan data disain yang dipakai adalah sebagai berikut: f’c (kuat tekan)=40 MPa Aps(luas penampang baja)=3643 mm2 f’ci(kuat tekan saat transfer)=30 MPa RH (kelembaban udara relatif)=80% Ep(modulus elastis baja)=195000 MPa fsi (tegangan awal baja pratekan)=1100 MPa
ISBN No. 978-979-18342-0-9
Mean=3.6%;COV=0.53
0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Kehilangan Pratekan Akibat Susut (%)
Gambar 3: Kehilangan Pratekan Akibat Susut.
B-109
M. Sigit Darmawan
1.2 10
rangkak mempunyai rata-rata sebesar 11.6% dan koefisien penyebaran sebesar 30%. Hasil ini sesuai perkiraan bahwa kehilangan pratekan akibat susut akan mempunyai koefisien penyebaran lebih besar dibandingkan akibat rangkak karena model error untuk susut mempunyai koefisien penyebaran yang lebih besar dibandingkan model error untuk rangkak.
5
5
1 10
Mean=11.6%;COV=0.3 4
Count
8 10
4
6 10
4
4 10
Gambar 5 selanjutnya menunjukkan kehilangan pratekan akibat kombinasi susut dan rangkak, dimana diperoleh nilai ratarata sebesar 15.2% dengan koefisien penyebaran sebesar 31%.
4
2 10
0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 Kehilangan Pratekan Akibat Rangkak (%)
Gambar 4: Kehilangan Pratekan Akibat Rangkak. 1 10
Gambar 6, 7 dan 8 menyajikan distribusi kehilangan pratekan akibat susut, rangkak dan kombinasi dari susut dan rangkak.
5
0.25
Mean=15.2%;COV=0.31
6 10
4
0.20
Probability Density
8 10
4
Count
0.15
0.10
0.05
4 10
4
0.00 0
2
4
6
8
10
Kehilangan Pratekan Akibat Susut (%)
Gambar 6: Distribusi Kehilangan Pratekan Akibat Susut. 2 10
4
0 0
3
6
9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45
Kehilangan Pratekan Akibat Susut dan Rangkak (%)
Gambar 5: Kehilangan Pratekan Akibat Susut dan Rangkak.
Gambar 3 menunjukkan bahwa kehilangan pratekan akibat susut mempunyai rata-rata sebesar 3.6% dan koefisien penyebaran sebesar 53%, sementara Gambar 4 menunjukkan kehilangan pratekan akibat
ISBN No. 978-979-18342-0-9
Gambar 6, 7 dan 8 telah secara jelas menunjukkan bahwa nilai kehilangan pratekan mempunyai variasi yang cukup besar. Dengan demikian perlu diperhatikan bahwa nilai kehilangan pratekan yang diperoleh dengan cara deterministik (mengabaikan variasi sifat-sifat beton) sangat tidak tepat. Nilai yang diperoleh secara deterministik, pada umumnya merupakan nilai yang mendekati rata-rata dari besarnya kehilangan pratekan. Nilai yang didapat secara deterministik tersebut ada kemungkinan sebesar ±50% akan terlampaui.
B-110
Probability Density
Perhitungan Kehilangan Pratekan (Loss Of Prestress) Akibat Susut Dan Rangkak Pada Beton Dengan Memperhitungkan Variabilitas Sifat-Sifat Beton
0.12
7. REFERENSI
0.10
1.
ACI 318 (2002), Building Code Requirement for Sructural Concrete (ACI 318-02) and Commentary (ACI 318R-02), American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan.
2.
ACI Commitee 209 (1992), Prediction of Creep, Shrinkage and Temperature Effects in Concrete Structures (ACI 209), ACI Manual of Concrete Practice, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan.
3.
AS 3600 (2001), Concrete Structures, Standards Association of Australia, Homebush, New South Wales, Australia.
4.
Attard, M. M. and Stewart, M. G. (1998), A Two Parameter Stress Block for Model for High Strength Concrete, ACI Structural Journal, ACI, Vol. 95, No. 3, pp. 305-317.
5.
Bazant, Z. P. and Baweja, S. (1995), Creep and Shrinkage Prediction Model for Analysis and Design of Concrete Structures-model B3, Materials & Structures, Vol. 28, pp. 357-365.
6.
Comite Euro-International du Beton (1990), CEB-FIP International recommendations for the design and construction of concrete structures, CEB-FIP Code 90, Paris-London.
7.
Gilbert, R. I. (1988), Time Effects in Concrete Structures, Elsevier, New York, USA.
8.
Gilbert, R. I. and Mickleborough, N. C. (1990), Design of Prestressed Concrete, Unwin Hyman Ltd, London.
9.
Khor, E. H. (1999), Early-age Effects on Serviceability Reliability of Reinforced Concrete Flexural Members, PhD Thesis, Department of Civil Engineering, Clemson University, SS, USA.
10.
Koutsoukis, M. (1996), On the Probabilistic Time-dependent Axial Shortening of Tall Concrete Building, PhD Thesis, Department of Civil and Mechanical Engineering, University Tasmania, Australia.
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00 0
5
10
15
20
25
Kehilangan Pratekan Akibat Rangkak (%)
Gambar 7: Distribusi Kehilangan Pratekan Akibat Rangkak. 0.10
Probability Density
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00 0
5
10
15
20
25
30
Kehilangan Pratekan Akibat Susut dan Rangkak (%)
Gambar 8: Distribusi Kehilangan Pratekan Akibat Susut dan Rangkak.
6. KESIMPULAN Hasil studi menunjukkan bahwa perhitungan kehilangan pratekan akibat susut dan rangka beton dengan memperhitungkan variabilitas sifat-sifat beton mempunyai pengaruh yang cukup besar. Dengan memasukkan pengaruh variasi dan ketidaktentuan sifat-sifat beton, didapatkan bahwa kehilangan pratekan akibat susut mempunyai rata-rata sebesar 3.6% dengan koefisien penyebaran sebesar 53%. Sedangkan kehilangan pratekan akibat rangkak mempunyai rata-rata sebesar 11.6% dengan koefisien penyebaran yang lebih kecil, yaitu sebesar 30%. Akibat kombinasi susut dan rangkak, kehilangan pratekan mempunyai rata-rata sebesar 15.2% dengan koefisien penyebaran sebesar 31%.
ISBN No. 978-979-18342-0-9
B-111
M. Sigit Darmawan
11.
Mirza, S. A., Hatzinikolas, M. and MacGregor, J. G. (1979), Statistical Description of Strength of Concrete, Journal of the Structural Division, ASCE, Vol. 105, No. ST6, pp. 10211037.
12.
Mirza, S. A., Kikuchi, D. K. and MacGregor, J. G. (1980), Flexural Strength Reduction Factor for Bonded Prestressed Concrete Beams, ACI Journal, Vol. 77, No. 4, pp. 237-246.
ISBN No. 978-979-18342-0-9
13.
Mirza, S. A. and MacGregor, J. G. (1979b), Variations in Dimensions of Reinforced Concrete Members, Journal of the Structural Division, ASCE, Vol. 105, No. ST4, pp. 751-766.
14.
Stewart, M. G. (1996), Serviceability Reliability Analysis of Reinforced Concrete Structures, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 122, No. 7, pp. 794-803.
B-112
