PERILAKU BALOK KOMPOSIT KAYU PANGGOH – BETON DENGAN DIISI KAYU PANGGOH DI DALAM BALOK BETON Vivi Angraini1 dan Besman Surbakti2 1
Departemen Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara, Jl.Perpustakaan No.1 Kampus USU Medan Email:
[email protected] 2 Staf Pengajar Departemen Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara, Jl.Perpustakaan No.1 Kampus USU Medan Email:
[email protected]
ABSTRAK Penelitian ini mengenai komposit balok kayu – beton, dimana kayu digunakan sebagai penambah kekuatan tarik didalam beton. Kayu yang digunakan adalah kayu panggoh karena sifatnya yang keras dan memiliki kuat tekan, tarik dan elastisitas yang tinggi. Perencanaan balok komposit didesain dengan metode kuat batas (ultimate strength design). Kayu panggoh berukuran 5 cm x 5 cm, mutu beton K225, dimensi balok 18 cm x 30 cm dan menggunakan paku beton 4 inci sebagai penghubung geser. Panjang bentang balok adalah 3 m dan dibuat 2 sampel, sebagai komposit dan sebagai balok beton bertulang. Dari hasil pengujian diperoleh beban runtuh balok komposit adalah 14 Ton dan beban runtuh balok beton bertulangan minimum adalah 6 Ton. Secara teoritis beban runtuh balok komposit adalah 14,5 Ton. Perbedaan kekuatan antara balok komposit kayu panggoh – beton bertulangan baja minimum dengan balok bertulangan baja minimum tanpa kayu adalah sebesar 8 Ton. Dari hasil penelitian ini diharapkan kayu panggoh dapat digunakan sebagai penambah kuat tarik balok beton. Kata kunci: Komposit Kayu Panggoh – Beton, Kayu sebagai Kuat Tarik.
ABSTRACT This study about composite wood – concrete beam, wood which is used as an addition in the tensile strength of concrete. Wood used is panggoh wood because it is hard and has a compressive strength, tensile and high elasticity. Planning composite beam is designed with a powerful method limit (ultimate strength design). Panggoh wood have a measurement of 5 cm x 5 cm, K225 concrete quality, beam dimensions of 18 cm x 30 cm and use a 4-inch concrete nails as shear connector. Beam span length is 3 m and made 2 sample, as a composite and reinforced concrete beams. From the test results obtained composite beam collapse load is 14 tons and the collapse load of concrete beams minimum reinforcement is 6 Ton. Theoretically composite beam collapse load is 14.5 tons. Difference in strength between composite panggoh wood – concrete minimum steel reinforcement beams with no wood minimum steel reinforcement is 8 Tons. From the results of this study are expected panggoh wood can be used as an addition to the tensile strength of concrete beams. Keywords: Composite Panggoh Wood - Concrete, Wood as Tensile Strength.
PENDAHULUAN Struktur komposit (composite structure) merupakan suatu bentuk struktur yang dapat terdiri atas dua bahan atau lebih yang berbeda yang bekerja bersama-sama dalam menahan beban yang bekerja. Struktur komposit mampu memberikan kinerja struktur yang baik dan lebih efektif dalam meningkatkan kapasitas pembebanan, kekakuan dan keunggulan ekonomis. Kayu yang digunakan pada penelitian ini adalah kayu panggoh yang merupakan nama lain untuk sisi luar pohon aren (Arenga Pinnata) di wilayah Sumatera Utara, khususnya di Kabupaten Karo. Kayu panggoh dipakai oleh masyarakat Karo sebagai kandang hewan peliharaan mereka. Kayu panggoh juga banyak digunakan pada rumah adat karo pada umumnya, alat-alat pertanian seperti cangkul, pisau, sabit, dll. Kayu panggoh sudah dikenal sebagai kayu yang sangat kuat oleh masyarakat karo, walaupun ternyata kayu panggoh ini belum pernah diteliti sebelumnya. Karena itulah kayu ini menjadi bahan penelitian yang sangat menarik sehingga perlu diadakan penelitian untuk mengetahui kekuatannya.
Dalam penelitian ini kayu diisi di dalam balok beton, selain sebagai perkuatan untuk menahan tegangan tarik yang terjadi pada balok, dapat juga mengurangi jumlah material penyusun beton khususnya pada daerah yang sulit mendapatkan material penyusun beton, sementara banyak terdapat material kayu. Kekuatan batang struktur kayu meningkat karena berada didalam beton, sedangkan keretakan beton dapat dicegah oleh kekuatan kayu. Tegangan tekan dapat ditahan oleh lapisan beton dan tegangan tarik oleh kayu. Tulangan yang digunakan pada beton dapat mencegah retak susut beton. Perilaku komposit hanya akan terjadi jika potensi terjadinya slip antara kedua material ini dapat dicegah. Kayu dan beton dianggap menjadi satu kesatuan dengan dipasangnya alat penyambung geser (shear connector) pada permukaan sentuh kedua bahan tersebut. Penghubung geser ini berfungsi untuk mencegah terjadinya gelinciran (slip) dan pemisahan (uplift) antara kedua material tersebut. Tujuan penelitian ini adalah untuk membandingkan kekuatan balok komposit kayu panggoh – beton dengan balok beton bertulang dan mengetahui besarnya beban maksimal, lendutan dan regangan kedua balok tersebut.
METODOLOGI Pengujian dilakukan dengan beberapa tahapan yaitu pengujian sampel kayu, pengujian beton, pengujian balok beton bertulang dan pengujian komposit balok kayu - beton. Kayu yang digunakan dalam penelitian ini adalah Kayu Panggoh dan mutu beton yang digunakan adalah K-225. Bahan-bahan tersebut akan diteliti sifat-sifat fisis dan mekanisnya sehingga diperoleh karakteristik yang diperlukan untuk pengujian komposit.
Persiapan Pengujian Kayu Kayu yang digunakan adalah kayu panggoh dengan ukuran 8 x 5 cm2 dengan panjang bentang bersih 4 m. Kayu tersebut akan diteliti sifat-sifat mekanis dan fisisnya sehingga diperoleh karakteristik yang diperlukan untuk pengujian komposit. Kayu batangan tersebut dibiarkan kering udara sampai mencapai kadar air ± 15 % untuk selanjutnya diambil pengujian sesuai dengan masing-masing jenis pengujian karakteristik dan pengujian komposit.
Pelaksanaan Pengujian Kayu Pengujian dan pemeriksaan yang akan dilakukan pada kayu tersebut mengacu kepada metode pengujian di Inggris BS 373 (1957) “Metode Pengujian Contoh Kecil Kayu” (Desch, 1981). Pengujian tersebut meliputi: 1. Pemeriksaan kadar air 2. Pemeriksaan berat jenis 3. Pengujian kuat tekan sejajar serat 4. Pengujian kuat tarik sejajar serat 5. Pengujian elastisitas
Pemeriksaan Kadar Air Kayu Pemeriksaan kadar air kayu dilakukan sedemikian rupa sehingga sifat dari benda uji itu mendekati sifat ratarata dari kayu yang akan diperiksa. Oleh sebab itu, kayu yang akan digunakan diambil dari tempat yang sama. Sampel dibuat dengan ukuran 3 cm x 4,5 cm x 6,5 cm yang telah kering udara (kadar air ± 15 %) sebanyak 5 sampel.
4,5 cm
3 cm 6,5 cm
Gambar 1. Sampel Pemeriksaan Kadar Air
Pemeriksaan Berat Jenis Kayu Dalam pemeriksaan berat jenis kayu, sampel yang digunakan harus sedemikian rupa sehingga dapat mendekati sifat rata-rata dari kayu yang diteliti. Sampel dibuat dengan ukuran 5 cm x 2,5 cm x 7,5 cm yang telah kering udara (kadar air ± 15 %) sebanyak 5 sampel.
7,5 cm
2,5 cm 5 cm
Gambar 2. Sampel Pemeriksaan Berat Jenis
Pengujian Kuat Tekan Kayu Pengujian kuat tekan dilakukan dengan menggunakan mesin tekan, Universal Test Machine dan dilakukan untuk mendapatkan nilai kuat tekan yang mampu diterima oleh kayu tersebut sampai batas keruntuhan. Pengujian kuat tekan yang akan diuji adalah pengujian kuat tekan kayu sejajar serat, dimana sampel kayu yang diambil berukuran 2 cm x 2 cm x 6 cm dengan arah serat sejajar dengan memanjang sampel. Pengujian dilakukan pada sampel kering udara (kadar air ± 15 %) sebanyak 5 sampel. P
6 cm
2 cm
2 cm
Gambar 3. Sampel Kuat Tekan Sejajar Serat
Pengujian Kuat Tarik Kayu Pengujian kuat tarik dilakukan dengan menggunakan mesin tarik, Universal Testing Machine untuk mendapatkan nilai kuat tarik yang mampu diterima oleh kayu tersebut sampai patah. Pengujian kuat tarik yang akan diuji adalah pengujian kuat tarik kayu sejajar serat dengan lebar 1,2 cm dan tebal 0,8 cm. Pengujian dilakukan pada sampel kering udara (kadar air ± 15 %) sebanyak 1 sampel. R5 1,2 cm
6,5 cm
6 cm
6,5 cm
Gambar 4. Sampel Kuat Tarik Sejajar Serat
Pengujian Kuat Lentur dan Elastisitas pada Penurunan Izin dan pada Kondisi Ultimate Pada pengujian ini akan dikerjakan gaya transversal statis pada sampel kayu untuk mendapatkan tegangan lentur kayu yang terjadi pada saat penurunan yang diizinkan tercapai. Sampel kayu berukuran 30 x 2 x 2 cm3 dengan arah serat sejajar dengan arah memanjang sampel.
2 cm
2 cm 30 cm
Gambar 5. Sampel Pengujian Kuat Lentur
Pengujian Kuat Lentur Balok Balok didesain dalam 2 model dan diuji secara ultimate. Model I balok komposit kayu panggoh - beton dan model II balok beton bertulang. Pengujian kuat lentur balok dilakukan dengan cara meletakkan balok diatas 2 tumpuan, sendi dan rol. Kemudian diberi beban statis/ditekan dengan mesin hydraulic jack sampai benda uji runtuh/pecah dimana L1 = L2 = L3 = 83,33 cm untuk model pertama dan kedua. Beban P diberikan secara bertahap dan pada tiap tahap pembebanan dicatat lendutan yang terjadi pada titiktitik dimana dial gauge terpasang. Hubungan antara beban (P) dan lendutan (Δ) dibuat dalam bentuk grafik dan akan memberikan informasi teknis berupa kekuatan dan kekakuan komponen struktur lentur. Model pengujian kuat lentur balok dapat dilihat pada gambar 6 berikut: P Hydraulic Jack I
P/2
P/2
I
Dial Gauge
83,33 cm
83,33 cm
125 cm
83,33 cm 125 cm
Gambar 6. Pengujian Kuat Lentur Balok
4
4 Tul. Ø6 mm
Tul. Ø6 mm
Beton K-225
Beton K-225 2,1
30 cm
30 cm 2,1
Kayu Panggoh (5 cm x 5 cm)
4
4 18 cm
18 cm POTONGAN I-I
Gambar 7. Desain Balok Komposit dan Balok Beton Bertulang
HASIL DAN PEMBAHASAN Dari hasil penelitian physical dan mechanical properties maka dapat ditabulasikan hasil penelitian pada tabel 1. Tabel 1. Rangkuman Penelitian Mechanical Properties Jenis Penelitian Kadar Air Berat Jenis Kuat Tekan Sejajar Serat Kuat Tarik Sejajar Serat Elastisitas Lentur Kayu Tegangan Lentur Kayu
Hasil Penelitian PKKI 2002 15,931% 1,020 gr/cm3 812,169 kg/cm2 1838,54 kg/cm2 131665 kg/cm2 1437,39 kg/cm2
PKKI 1961 15,931 % 1,020 gr/cm3 360,964 kg/cm2 817,129 kg/cm2 131665 kg/cm2 638,84 kg/cm2
Menurut ketentuan Tata Cara Perencanaan Konstruksi Kayu (PKKI 2002), kuat acuan berdasarkan pemilahan secara mekanis diambil berdasarkan modulus elastisitas lentur. Dari tabel diatas dapat dilihat bahwa menurut ketentuan kuat acuan Tata Cara Perencanaan Konstruksi Kayu (PKKI 2002) maka kayu yang digunakan dengan modulus elastisitas 131665 kg/cm2 termasuk kayu dengan kode mutu E13 = 14000 MPa. Untuk kuat acuan kayu berdasarkan tegangan-tegangan izin atau tegangan ultimate dibagi safety factor sebesar 2,25 (PKKI 1961). Dari tabel 1 diatas dapat disimpulkan bahwa dengan adanya kuat tarik yang besar dan modulus elastisitas kayu kelas I adalah 125000 kg/cm2 maka kayu Panggoh termasuk jenis kayu kelas I.
Pengujian Lendutan Setelah dilakukan pengujian di laboratorium maka didapat hasil hubungan antara Beban – Penurunan yang terjadi pada balok komposit kayu panggoh - beton dan balok beton bertulang. Adapun data-datanya sebagai berikut: Tabel 2. Data Lendutan (Y) Balok Komposit Kayu Panggoh – Beton dan Balok Beton Bertulang dari Hasil Percobaan di Laboratorium Beban P (kg) 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000
Komposit Kayu Panggoh-Beton Y1 (Dial 1) Y2 (Dial 2) Y3 (Dial 3) (x0,01 mm) (x0,01 mm) (x0,01 mm) 0 0 0 38 42 28 77 81 55 115 129 96 165 222 160 218 320 223 309 535 343 393 720 446 480 935 566 558 1170 679 663 1436 854 820 1702 1002 958 2097 1224 1106 2397 1409 PATAH
Y1 (Dial 1) (x0,01 mm) 0 45 68 92 134 276
Beton Bertulang Y2 (Dial 2) (x0,01 mm) 0 50 87 128 245 684
PATAH
Y3 (Dial 3) (x0,01 mm) 0 34 56 76 112 196
14000 12000
Beban (kg)
10000 8000
Balok Komposit Kayu Panggoh-Beton Balok Beton Bertulang
6000 4000 2000 0 0
1000 2000 Lendutan (x0,01 mm)
3000
Gambar 8. Grafik Hubungan Beban – Lendutan Balok Komposit Kayu Panggoh – Beton dengan Balok Beton Bertulang Lendutan terbesar balok komposit kayu panggoh – beton adalah sebesar 2397 (x0,01 mm) pada beban 13000 kg, sedangkan lendutan terbesar balok beton bertulang adalah sebesar 684 (x 0,01 mm) pada beban 5000 kg maka perbedaan kekuatan antara balok komposit kayu panggoh – beton dengan beton bertulang tanpa kayu adalah sebesar 8000 kg.
Pengujian Regangan Balok P
½P
½P
30 cm 83,33 cm 250 cm
Gambar 9. Posisi Pembebanan dan Penempatan Pen Pembaca Regangan Balok Pengujian regangan dilakukan bersamaan dengan pengujian lendutan pada balok. Regangan diukur dengan menggunakan alat strain meter. Posisi pengukuran diambil di tengah bentang pada bagian atas, tengah dan bawah seperti tampak pada gambar 9.
d
εc
εc1
c
30 cm
εw εc3
εc2
7,5 cm 7,5 cm 7,5 cm 7,5 cm
18 cm
Gambar 10. Pengujian Regangan Balok Komposit Kayu Panggoh – Beton
d
εc
εc1
c
30 cm εc3
εc2
εs
18 cm
7,5 cm 7,5 cm 7,5 cm 7,5 cm
Gambar 11. Pengujian Regangan Balok Beton Bertulang Dimana, εc = regangan beton pada sisi tekan terluar, εw = regangan pada tulangan kayu tarik, εs = regangan pada tulangan baja tarik, εc1 = regangan yang diukur pada jarak 75 mm dari sisi atas balok , εc2 = regangan yang diukur pada garis tengah penampang balok, εc3 = regangan yang diukur pada jarak 75 mm dari sisi bawah balok. Menghitung regangan: ε = Δl / l (1) Dimana, ε = regangan (‰), Δl = pertambahan panjang (mm), l = Panjang semula penempatan pen (300 mm) Tabel 3. Data Hasil Pengujian Regangan Balok Komposit Kayu Panggoh – Beton Beban P (kg) 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000
Perubahan panjang (x0,001 mm) 1 2 3 0 0 0 -14 18 26 -17 37 48 -25 52 67 -43 81 88 -62 107 114 -87 126 136 -108 128 187 -134 141 200 -136 156 211 -146 192 221 -158 204 253 -174 236 264 -208 278 325
Regangan 1 0 -0,047 -0,057 -0,083 -0,143 -0,207 -0,290 -0,360 -0,447 -0,453 -0,487 -0,527 -0,580 -0,693
2 0 0,060 0,123 0,173 0,270 0,357 0,420 0,427 0,470 0,520 0,640 0,680 0,787 0,927
3 0 0,087 0,160 0,223 0,293 0,380 0,453 0,623 0,667 0,703 0,737 0,843 0,880 1,083
Analisa data regangan (mm/mm) εc εw 0 0 -0,00064 0,00005 -0,0012 0,00010 -0,0016 0,00014 -0,0022 0,00018 -0,0028 0,00024 -0,0033 0,00028 -0,0046 0,00039 -0,0049 0,00042 -0,0052 0,00044 -0,0054 0,00046 -0,0062 0,00053 -0,0065 0,00055 -0,0079 0,00068
Tabel 4. Data Hasil Pengujian Regangan Balok Beton Bertulang Beban P (kg) 0 1000 2000 3000 4000 5000
Perubahan panjang (x0,001 mm) 1 2 3 0 0 0 -54 61 96 -108 122 187 -126 145 238 -184 208 396 -221 317 447
Regangan 1 0 -0,18 -0,36 -0,42 -0,61 -0,74
2 0 0,20 0,41 0,48 0,69 1,06
3 0 0,32 0,62 0.79 1,32 1,49
Analisa data regangan (mm/mm) εc εs 0 0 -0,00043 0,00041 -0,00085 0,00081 -0,00103 0,00102 -0,00158 0,00168 -0,00185 0,00191
14000
12000
Beban (kg)
10000
8000
Balok Komposit Kayu PanggohBeton Balok Beton Bertulang
6000
4000
2000
0 0
0.0005
0.001 0.0015 Regangan (mm/mm)
0.002
0.0025
Gambar 12. Hubungan Beban - Regangan Masing-masing Balok Dari hasil pengamatan secara visual pada percobaan di laboratorium pada pengujian pertama, tahap-tahap pembebanan awal belum tampak adanya retak-retak pada model 1 dan model 2. Pada model 1 keretakan struktur mulai terjadi pada saat diberikan beban 2 ton yang terjadi pada bagian bawah balok, kemudian seiring dengan bertambahnya beban yang diberikan pada balok retak mulai merambat naik baik di sisi kanan maupun sisi kiri struktur. Keretakan sisi bawah beton bertambah yang besar pada daerah disekitar Dial 3 sehingga terjadi penurunan yang lebih besar. Pada beban 13 ton lendutan yang terjadi pada Dial-1 adalah 1,106 cm, Dial-2 adalah 2,397 cm dan Dial-3 adalah 1,409 cm. Penambahan beban selanjutnya mengakibatkan keruntuhan struktur yaitu pada beban 14 ton. Pada model 2 keretakan struktur mulai terjadi pada saat diberikan beban 2 ton yang terjadi pada bagian bawah balok. Keretakan sisi bawah beton bertambah yang besar pada daerah disekitar Dial-1 sehingga terjadi penurunan yang lebih besar. Pada beban 5 ton lendutan yang terjadi pada Dial-1 adalah 0,276 cm, Dial-2 adalah 0,684 cm dan Dial-3 adalah 0,196 cm Penambahan beban selanjutnya mengakibatkan keruntuhan struktur yaitu pada beban 6 ton.
KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Dari hasil pengujian di Laboratorium balok komposit kayu panggoh - beton runtuh pada pemberian beban 14 Ton dan balok beton bertulang runtuh pada pemberian beban 6 Ton. Perbedaan kekuatan antara balok komposit kayu panggoh - beton dengan tulangan baja minimum dengan balok bertulangan baja minimum tanpa kayu adalah sebesar 8 Ton. Kayu panggoh yang berada didalam balok beton tidak patah sedangkan beton sudah hancur pada L/3 dial-3. Pola retak lentur struktur dimulai dengan terjadinya retak-retak rambut dibagian bawah balok pada daerah bawah beban yaitu bagian tarik, kemudian merambat naik terjadi keruntuhan. Paku beton sebagai shear connector yang didesain secara ultimate tidak mengalami perubahan bentuk pada saat struktur komposit patah.
Saran Struktur komposit kayu panggoh - beton hancur di beton sedangkan kayu masih dalam keadaan utuh jadi mutu beton harus dinaikkan lagi supaya kekuatan beton dan kayu seimbang dan pada saat melakukan pengujian di Laboratorium bahan uji harus bebas dari getaran karena memiliki dampak terhadap pembacaan dial.
DAFTAR PUSTAKA Anonim. 1994. SK SNI 03-3400-1994: Metode Pengujian Kuat Geser Kayu di Laboratorium. Jakarta: Badan Penelitian dan Pengembangan. Anonim. 2002. SK SNI 03-2847-2002: Tata Cara Perhitungan Struktur Beton untuk Bangunan Gedung. Jakarta: Badan Standar Nasional. Anonim. 2002. Tata Cara Perencanaan Konstruksi Kayu Indonesia (PPKI NI-5). Jakarta: Badan Standar Nasional. Desch, H.E, J.M Dinwoodie. 1981. Timber, Its Structure, Properties and Utilisation. United Kingdom: Macmillan Education. Dipohusodo, Istimawan. 1994. Struktur Beton Bertulang. Jakarta: Gramedia Pustaka Utama. Frick, Heinz. 1982. Ilmu Konstruksi Bangunan Kayu. Yogyakarta: Kanisius. Iswanto, Apri Heri. 2009. Jurnal: Aren (Arenga Pinnata). Medan: Departemen Kehutanan Fakultas Pertanian USU. Surbakti, Besman. 2009. Catatan Kuliah: Pengantar Mata Kuliah Struktur Kayu. Medan: Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik USU. Yap, K.H Felix. 1965. Konstruksi Kayu. Jakarta: Binacipta.
