PERILAKU LENTUR BETON MUTU TINGGI YANG DIKEKANG DENGAN BAJA MUTU TINGGI Zulfikar Djauhari *) dan Iswandi Imran**)
1 PENDAHULUAN Salah satu detail penulangan yang penting untuk menghasilkan respon struktur yang daktail terhadap beban gempa adalah tulangan pengekangan (confinement) pada komponen kolom atau pier. Dalam situasi tertentu, kebutuhan tulangan pengekangan ini terkadang sangat tinggi dan pemasangannya menjadi sangat rapat. Konsekuensi rapatnya tulangan pengekang yang harus dipasang, terkadang mengakibatkan pada pelaksanaannya menjadi tidak praktis dan sukar; terlebih bila elemen struktur yang akan ditulangi mempunyai dimensi yang besar, seperti pier jembatan. Sehingga dalam kebanyakan kasus, tulangan pengekang yang terpasang menjadi tidak efektif berfungsi dalam meningkatkan daktilitas penampang. Akibatnya elemen struktur menjadi rawan roboh bila terkena kondisi kegempaan yang tinggi. Dalam riset yang diusulkan ini akan dikembangkan suatu pendekatan yang diharapkan dapat menyederhanakan detail penulangan pengekang, yaitu melalui penggunaan baja mutu tinggi sebagai alternatif untuk tulangan pengekang. Namun demikian, terdapat kendala yang terkait dengan batasan-batasan yang ada dalam acuan atau pedoman yang mengatur tentang penggunaan baja mutu tinggi sebagai tulangan pengekangan pada kolom; baik dalam SNI 2847-2002 maupun ACI 318-05 tegangan baja tulangan yang digunakan dibatasi maksimum 400 MPa. Batasan ini lebih disebabkan oleh karena belum banyaknya riset yang terkait dengan penggunaan baja mutu tinggi sebagai tulangan pengekang pada kolom. Penelitian ini merupakan bagian dari rangkaian dari penelitian perilaku kekuatan dan daktilitas kolom yang dilakukan oleh penulis (Djauhari et al., 2007). Oleh karena itu, variabel kajian yang digunakan pada penelitian ini juga mencakup aspek yang mempengaruhi perilaku kolom terkekang, yakni: rasio volumetrik, spasi dan tegangan leleh tulangan pengekangan. Khusus untuk penelititan ini ada penambahan satu variabel baru yaitu posisi pembebanan. Dampak hasil kajian diharapkan dapat menjadi bahan masukan untuk penyempurnaan peraturan yang selama ini membatasi tegangan baja tulangan pengekangan yang dinilai prematur dalam kondisi tertentu. Jika tegangan pada tulangan baja pengekang tidak dibatasi maka permasalahan kerapatan tulangan pada komponen kolom dapat diatasi sehingga kualitas bangunan yang dihasilkan menjadi lebih baik.
*) Mahasiswa Program Doktor Rekayasa Struktur Program Studi Teknik Sipil FTSL ITB **) Staf Pengajar, Kelompok Keahlian Rekayasa Struktur, Teknik Sipil FTSL ITB
Seminar dan Pameran HAKI 2008 - “Pengaruh Gempa dan Angin terhadap Struktur”
1
2 PERKEMBANGAN RISET PERILAKU LENTUR KOLOM BETON MUTU TINGGI Kajian literatur menunjukkan bahwa sebagian besar pengetahuan tentang perilaku kekuatan dan daktilitas kolom beton mutu tinggi diketahui melalui eksperimen kolom yang dibebani secara konsentrik, sedangkan perilaku kolom bila diberi beban eksentrik belum banyak diketahui. Beban eksentrik memiliki karakter yang sangat berbeda dengan beban konsentrik, karena beban eksentrik memberikan tambahan momen atau meningkatkan strain gradient pada komponen struktur yang dikekang, sehingga sangat mempengaruhi kinerja atau perilaku kekuatan dan daktilitas penampang tersebut. Beberapa penelitian memperlihatkan bahwa pengaruh strain gradient pada beton mutu tinggi pada dasarnya tidak signifikan. Lee dan Son (2000) mengemukakan bahwa kolom beton mutu normal yang diberi beban eksentrik keruntuhannya tergantung pada tingkat beban aksial dan eksentrisitas awal beban. Spesimen yang memiliki eksentrisitas awal kecil dan beban aksial yang kecil hanya mengalami defleksi lateral yang kecil. Lebih lanjut dikemukakan bahwa kolom beton mutu tinggi memiliki perilaku keruntuhan yang berbeda dengan beton mutu normal. Hasil eksperimen memperlihatkan bahwa proses pengelupasan selimut pada spesimen kolom tidak tergantung pada eksentrisitas awalnya. Kolom beton mutu tinggi lebih dini mengalami retak dan pengelupasan selimut beton. Seiring dengan meningkatnya beban, spesimen mengalami retak rambut vertikal pada daerah dekat lokasi tulangan longitudinal dan daerah tekan. Retak dan pengelupasan dini ini kemungkinan disebabkan oleh susut kering. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa regangan ultimit beton mutu tinggi berkisar antara 0,0026-0,0035 untuk mutu beton 70,4 MPa dan antara 0,0032-0,0047 untuk mutu beton 93,2 MPa. Selanjutnya disimpulkan bahwa makin tinggi mutu beton dan rasio volumetriknya, makin besar daerah selimut beton yang terkelupas. Selain itu menurut Lee dan Son (2000), parameter blok tegangan persegi versi ACI 318 masih memungkinkan digunakan pada beton mutu tinggi. Tan dan Nguyen (2005) menyimpulkan bahwa konfigurasi tulangan pengekangan memiliki pengaruh yang signifikan terhadap perilaku lentur beton mutu tinggi terkekang. Baja tulangan mutu tinggi memperlihatkan efektivitas pengekangan yang lebih baik bila dibandingkan dengan baja tulangan mutu normal . Berdasarkan hasil eksperimennya diperlihatkan bahwa mutu beton merupakan parameter yang paling signifikan mempengaruhi blok tegangan persegi ekivalen sedangkan pengaruh pengekangan, metode pembebanan dan strain gradient tidak signifikan. Selain itu, dilaporkan juga dalam makalahnya bahwa parameter blok tegangan persegi versi ACI-318 tidak dapat diterapkan pada beton mutu tinggi. Yi et al. (2002) melaporkan bahwa ukuran penampang sangat mempengaruhi blok tegangan persegi versi ACI-318. Penampang yang digunakan dalam eksperimennya dibagi menjadi tiga kategori yakni: kecil, sedang dan besar. Analisis yang dilakukan dengan menggunakan blok tegangan persegi ekivalen versi ACI-318 memiliki kesesuaian dengan hasil eksperimen penampang yang berukuran besar. Selanjutnya disimpulkan bahwa ukuran penampang sangat mempengaruhi perilaku lentur beton utamanya respon pasca puncak Bae dan Bayrak (2003) melaporkan bahwa pemakaian blok tegangan persegi versi ACI318 pada beton mutu tinggi pada mutu 60 hingga 120 MPa menghasilkan kapasitas momen yang overestimate. Berdasarkan hasil eksperimennya, dilaporkan bahwa blok Seminar dan Pameran HAKI 2008 - “Pengaruh Gempa dan Angin terhadap Struktur”
2
tegangan persegi ekivalen versi Ibrahim dan Mac Gregor (1997) hanya berlaku pada mutu beton hingga 100 MPa, oleh karena itu diusulkan blok tegangan persegi ekivalen yang dapat berlaku pada mutu beton lebih dari 100 MPa. Hwang dan Yun (2004) menyimpulkan bahwa analisis kapasitas momen nominal menggunakan blok tegangan persegi ekivalen versi: ACI-318, Ibrahim dan Mac Gregor (1996), Li et al. (1991) dan Azizinamini et al. (1994) memberikan hasil yang konservatif bila digunakan pada mutu beton hingga 69 MPa. Berdasarkan hasil eksperimen yang dilakukan Hwang dan Yun (2004) disimpulkan bahwa penggunaan baja tulangan mutu tinggi memberikan peluang untuk memperbesar spasi tulangan pengekangan. Selain itu jika kolom didesain hanya mengalami beban aksial kurang dari 30% kapasitasnya, maka direkomendasikan tegangan maksimal tulangan pengekangan adalah sebesar 549 MPa. Ozbakkaloglu dan Saatcioglu (2004) merekomendasikan persamaan untuk menghitung blok tegangan persegi ekivalen dan kapasitas kekuatan aksial kolom beton mutu tinggi dengan mutu 41 hingga 120 MPa. Selain itu disarankan dalam makalahnya bahwa persamaan untuk menghitung blok tegangan persegi ekivalen untuk mutu beton kurang dari 41 MPa dapat tetap mengacu ke aturan ACI-318. Hwang et al. (2005) melaporkan bahwa parameter blok tegangan versi ACI-318 dapat berlaku pada beton mutu tinggi dengan syarat beban aksial yang bekerja kurang dari 30% kapasitas beban aksial kolom. Berdasarkan hasil eksperimennya ditunjukkan bahwa penggunaan baja tulangan mutu tinggi sebagai tulangan pengekangan tidak efektif bila beban aksial yang bekerja kurang dari 30% kapasitas beban aksial kolom. Canbay et al. (2006) menyimpulkan bahwa analisis kekuatan ultimit menggunakan blok tegangan persegi versi ACI-318 memberikan hasil yang overestimate bila diterapkan pada beton mutu tinggi, sedangkan blok tegangan persegi versi CSA memberikan hasil yang lebih baik bila diterapkan pada beton mutu tinggi. Berdasarkan hasil eksperimennya dijumpai bahwa rasio volumetrik tulangan yang sangat besar menimbulkan potensi pengelupasan selimut beton lebih dini; penggunaan baja tulangan mutu tinggi direkomendasikan sebagai tulangan pengekangan untuk memperkecil rasio volumetrik tersebut. Selain itu, disarankan agar syarat minimum rasio volumetrik tulangan pengekangan yang tercantum pada Section 21.4.4 ACI 318-05 dapat digunakan pada beton mutu tinggi dengan syarat pembatasan penggunaan baja tulangan mutu tinggi dalam peraturan tersebut dihilangkan.
3 BLOK TEGANGAN PERSEGI EKIVALEN Hognestad et al. (1955) melakukan kajian terhadap perilaku kolom beton yang diberi beban eksentrik. Eksperimen perilaku lentur dilakukan terhadap 20 buah spesimen kolom berbentuk C (kanal) yang diberi beban eksentrik. Kajian terhadap hasil eksperimen tersebut menghasilkan prosedur analisis dan desain lentur struktur beton bertulang. Berdasarkan hasil penelitiannya direkomendasikan penggunaan tiga parameter utama pada blok tegangan ekivalen yakni: k1, k2 dan k3. ACI-318 mengadopsi rekomendasi Hognestad et al. (1955) ini dalam bentuk blok tegangan persegi ekivalen yang digunakan hingga saat ini (ACI 318-2005). Hognestad et al. (1952) dan Hognestad (1957) menjelaskan prosedur untuk memperoleh parameter α1 dan β1. Gambar 1 menyajikan konstruksi spesimen yang digunakan dalam penelitian Hognestad (1955) tersebut. Berdasarkan blok tegangan Hognestad (1955), Mattock et al. (1961) melakukan penelitian untuk menentukan parameter blok tersebut. Penelitian tersebut diterapkan Seminar dan Pameran HAKI 2008 - “Pengaruh Gempa dan Angin terhadap Struktur”
3
pada penampang kolom beton mutu normal yang memiliki mutu hingga 52,5 MPa tanpa tulangan longitudinal. Selanjutnya didefenisikan blok tegangan dalam dua buah parameter yang berbeda yakni: parameter yang mewakili intensitas tegangan pada blok tegangan yang dilambangkan dengan α1 serta parameter yang menunjukkan rasio antara tinggi blok tegangan dengan tinggi sumbu netral yang dilambangkan dengan β1. ACI Committee 318 mengakomodasi usulan mereka dengan cara mencantumkan parameter tersebut pada Section 1504g ACI 318-1963. Nilai parameter tersebut adalah α1 = 0,85 sedangkan nilai parameter β1 dapat dijumpai pada Pasal 12.2.7 SNI 2847-2002 atau Section 10.2.7.1 ACI 318-2005. Seiring dengan perkembangan material beton, ACI-ASCE Committee 441 dalam laporan High-Strength Concrete Columns: State of the Art (1996) mempertanyakan penggunaan blok tegangan persegi yang tercantum pada Section 10.2.7 ACI 318-1989 bila diterapkan pada kolom beton mutu tinggi.
Gambar 1. Spesimen beban eksentrik PCA (Hognestad, 1957) Kesetimbangan gaya-gaya aksial dan momen pada Gambar 1 menghasilkan persamaan
k1 k 3 =
C ∑ P = f0 = ' b c f c b c f c' f c'
(1)
k2 = 1 − ∑
Pa m =1− 0 f0 ∑ Pc
β1 = 2k 2 α 1 β 1 = k1 k 3
(2)
(3) (4)
Hasil-hasil penelitian terkini pada kolom beton mutu tinggi yang dibebani secara eksentrik menunjukkan bahwa jika nilai parameter α1 dan β1 dibandingkan terhadap data-data penelitian, maka nilai parameter tersebut berada pada posisi di bawah (lower bound) rangkaian data tersebut. Nilai β1 yang kecil berpotensi mengakibatkan prediksi kapasitas momen penampang menjadi overestimate. Sebagai ilustrasi perhatikan Gambar 2 sebagai berikut.
Seminar dan Pameran HAKI 2008 - “Pengaruh Gempa dan Angin terhadap Struktur”
4
Gambar 2. Parameter blok tegangan untuk penampang persegi Gambar tersebut menunjukkan bahwa jarak dari resultan gaya tekan ke titik pusat
h β 1c − , jika nilai β 1 mengecil, maka jarak resultan membesar, 2 2
penampang adalah
akibatnya momen juga membesar nilainya. Oleh sebab itu hasil-hasil penelitian menunjukkan bahwa hal ini menimbulkan masalah yang serius utamanya pada penampang kolom yang gagal-tekan (compression-failure) dengan rasio
e kurang dari h
0,3 (ACI 441R-1996).
4 PROGRAM EKSPERIMEN Spesimen kolom eksentrik yang diuji dalam studi ini menggunakan spesifikasi material beton dan baja yang sama dengan spesimen kolom konsentrik yang telah dikaji dalam studi yang terdahulu (Djauhari et al., 2007). Spesimen kolom eksentrik memiliki dimensi penampang 120 mm x 120 mm x 600 mm. Daerah kajian yang terletak di tengah-tengah spesimen ditetapkan sepanjang 360 mm. Nomenklatur Spesimen Tata nama spesimen mengikuti aturan sebagai berikut. Suku pertama mengindikasikan kekuatan baja tulangan (strength). Suku kedua, ketiga, dan keempat menunjukkan nilai mutu baja tulangan pengekangannya (dalam satuan MPa). Suku kelima mengindikasikan spasi (pitch). Suku keenam dan ketujuh menunjukkan besarnya spasi pengekangan (dalam satuan mm). Suku kedelapan mengindikasikan eksentrisitas. Suku kesembilan dan kesepuluh menunjukkan nilai eksentrisitas beban (dalam satuan mm). Tabel 1 menyajikan rancangan spesimen kolom eksentrik tersebut.
Seminar dan Pameran HAKI 2008 - “Pengaruh Gempa dan Angin terhadap Struktur”
5
Tabel 1. Parameter spesimen kolom eksentrik
No
Spesimen
1
2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
S400P30E25 S800P30E25 S800P60E25 S960P30E25 S960P60E25 S400P30E50 S800P30E50 S800P60E50 S960P30E50 S960P60E50
mm
Mutu beton MPa
Mutu baja MPa
3
4
5
6
7
8
25 25 25 25 25 50 50 50 50 50
70 70 70 70 70 70 70 70 70 70
465.64 683.36 683.36 945.11 945.11 465.64 683.36 683.36 945.11 945.11
30 30 60 30 60 30 30 60 30 60
0.0419 0.0419 0.0209 0.0419 0.0209 0.0419 0.0419 0.0209 0.0419 0.0209
0.28 0.41 0.20 0.57 0.28 0.28 0.41 0.20 0.57 0.28
e
Spasi
ρs
I
mm
Instrumentasi Spesimen Strain gauge jenis FLYA (post-yield) dipasang pada masing-masing tulangan transversal dan longitudinal. Pemasangan strain gauge pada tulangan transversal dan longitudinal bertujuan untuk mengetahui regangan yang terjadi pada tulangan tersebut. Regangan yang terjadi pada tulangan transversal dapat menjadi salah satu indikator leleh atau tidak tulangan tersebut. Regangan tulangan longitudinal juga merupakan indikator untuk mengetahui inisiasi leleh. Selain itu strain gauge jenis FLA dipasang pada daerah tekan beton untuk mengetahui regangan ultimit selimut beton. Gambar 3 memperlihatkan ilustrasi pemasangan instrumentasi pada spesimen. Untuk mengukur perpindahan aksial di sisi tarik maupun tekan spesimen digunakan instrumen LVDT. Pada setiap satu sisi spesimen dipasang satu buah LVDT yang diletakkan secara vertikal. Satu buah LVDT juga dipasang secara horizontal di sisi belakang spesimen. LVDT tersebut memiliki fungsi untuk mengukur lendutan lateral di tengah bentang spesimen. Gambar 4.b memperlihatkan posisi pemasangan LVDT-LVDT tersebut. Eksentrisitas total merupakan defleksi lateral yang diperoleh dari pengujian ditambahkan dengan besarnya eksentrisitas beban. Eksentrisitas total digunakan untuk menghitung momen lentur penampang. Gambar 4.c memperlihatkan bentuk defleksi lateral tersebut.
Seminar dan Pameran HAKI 2008 - “Pengaruh Gempa dan Angin terhadap Struktur”
6
(a)
(b)
Gambar 3. Set-up dan instrumentasi spesimen kolom eksentrik
(a)
(b)
(c)
Gambar 4. Set up pengujian kolom eksentrik Set-up Pengujian Pengujian kolom dilakukan menggunakan mesin uji tekan merek Dartec yang memiliki kapasitas 1000 kN. Kolom dibebani secara eksentrik monotonik. Sistem pengujian menggunakan teknik displacement control dengan kecepatan pergerakan stroke sebesar 0,012 mm/detik. Gambar 4.b menyajikan set-up pengujian kolom eksentrik tersebut. Gambar tersebut menunjukkan bagian sayap sepanjang 120 mm menggunakan kerah (collar) yang berfungsi untuk mencegah keruntuhan kolom secara dini. Semua instrumentasi yang digunakan pada pengujian ini dihubungkan dan direkam menggunakan data logger. Data beban yang bekerja pada kolom, data regangan dan deformasi kolom diperoleh melalui data yang telah terekam dalam komputer data logger selama pengujian. Seminar dan Pameran HAKI 2008 - “Pengaruh Gempa dan Angin terhadap Struktur”
7
