PERILAKU PANEL PRACETAK SANDWICH BETON NORMAL-RINGAN-NORMAL TERHADAP BEBAN LATERAL IN-PLANE
DISERTASI Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dari Institut Teknologi Bandung
Oleh
MARDIANA OESMAN NIM. 35098022 Program Studi Rekayasa Struktur
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2005
ABSTRAK PERILAKU PANEL PRACETAK SANDWICH BETON NORMAL-RINGAN-NORMAL TERHADAP BEBAN LATERAL IN-PLANE Oleh: MARDIANA OESMAN NIM:35098022 Panel pracetak beton agregat ringan mempunyai massa yang lebih kecil dari pada panel pracetak beton agregat normal, sehingga lebih mudah dalam proses mobilisasi pada saat konstruksi. Panel pracetak beton agregat ringan dapat digunakan sebagai elemen struktur, seperti panel dinding geser penahan gempa lateral. Berhubung massa panel tersebut lebih ringan dari beton normal, maka gaya inersia akibat gempa dapat direduksi sehingga mengurangi respon struktur yang ditimbulkan. Untuk meningkatkan kekakuan, kekuatan, dan daktilitas panel serta mempermudah pelaksanaan konstruksi, maka sistem panel dibuat sebagai panel sandwich. Panel sandwich terdiri dari dua lapisan kulit beton agregat normal yang mengapit satu lapisan inti beton agregat ringan. Pada lapisan beton agregat normal diberi tulangan baja longitudinal_ dan transversal untuk meningkatkan kekuatan dan daktilitas panel sebagai elemen struktur yang menerima beban lateral in plane. Persyaratan panel sandwich untuk dapat memikul beban lateral in plane adalah kompatibilitas antara beban dan deformasi. Oleh karena itu, panel sandwich harus dapat bekerja sebagai elemen struktur komposit monolit. Panel sandwich beton dapat bekerja sebagai satu kesatuan panel yang komposit monolit jika deformasi lateral yang terjadi pada setiap lapisan pembentuknya bernilai sama. Untuk mencapai keadaan komposit monolit tersebut dibutuhkan konektor yang menghubungkan ketiga lapisan beton pembentuk panel sandwich. Penelitian ini mempelajari perilaku mekanik struktur panel sandwich beton normal-ringannormal terhadap beban lateral in plane. Penelitian ini terdiri atas penelitian eksperimental dan analisis model analitikal. Penelitian eksperimental terdiri atas 2 tahap. Tahap pertama merupakan penelitian eksperimental untuk menentukan jenis dan perilaku konektor geser yang dibebani gaya geser vertikal atau pengujian geser murni (push-off test). Pengujian geser murni dilakukan terhadap 104 buah benda uji prismatik. Setiap benda uji terdiri dari dua lapisan kulit beton agregat normal yang mengapit satu lapisan inti beton agregat ringan. Ketebalan setiap lapisan beton normal dan lapisan beton ringan adalah 600 mm dan 800 mm, secara berurutan; dengan dimensi potongan penampang adalah 200 mm x 100 mm. Tinggi benda uji geser murni ini bervariasi, yaitu 200mm, 300 mm, dan 500 mm. Ketiga lapisan beton tersebut dihubungkan dengan konektor baja diameter 5,5 mm yang berbentuk sinusoidal. Penelitian ini juga dilakukan untuk menentukan nilai ρ. Nilai ρ merupakan rasio antara luas penampang konektor dan luas penampang bidang geser. Metode penentuan nilai ρ maksimum dilakukan dengan memvariasikan nilai p pada pengujian geser murni. Nilai ρ
maksimum didapat dari hasil pengujian benda uji geser yang menunjukkan kekuatan geser permukaan beton normal-ringan tertinggi, dengan tipe keruntuhan benda uji yang diawali oleh lelehnya tulangan konektor sebelum keruntuhan lapisan beton normal dan ringan terjadi. Setelah nilai ρ maksimum didapat, selanjutnya nilai p maksimum ini digunakan dalam pembuatan benda uji panel sandwich beton normal-ringan-normal pada penelitian eksperimental tahap kedua. Hasil penelitian tahap pertama ini menunjukkan, bahwa kapasitas tegangan geser permukaan lapisan beton nomal-ringan dapat meningkat dengan naiknya nilai ρ. Nilai ρ maksimum pada pengujian ini adalah sekitar 0,60%. Selain perilaku konektor geser, dari pengujian geser murni ini juga dikembangkan sebuah formulasi hubungan antara ρ dan kekuatan geser permukaan beton normal-ringan. Formulasi tersebut diharapkan dapat memberikan kontribusi pads peraturan beton yang ada. Tahap kedua penelitian eksperimental dilakukan terhadap 7 buah benda uji panel sandwich beton, yang terdiri dari 5 buah benda uji panel sandwich beton normalringan-normal, 1 buah panel solid beton normal, dan 1 buah panel solid beton ringan. Dua buah benda uji terakhir dibuat sebagai rujukan untuk membandingkan perilaku panel sandwich. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui perilaku panel sandwich beton normal-ringan-normal terhadap beban lateral in plane. Dimensi benda uji panel adalah panjang 800 mm, lebar 120 mm, dan tinggi 800 mm, rasio antara tinggi dan panjang (h,,/lw) adalah satu sehingga mekanisme keruntuhan yang direncanakan adalah keruntuhan geser. Variabel-variabel pada pengujian ini adalah jarak tulangan pads lapisan beton kulit, dan ketebalan setiap lapisan beton kulit dan inti pada panel sandwich beton. Hasil pengujian eksperimental ini adalah pola retak dan kurva hubungan antara beban terhadap deformasi lateral. Hasil pengujian menunjukkan, bahwa semua panel mengalami keruntuhan geser dengan pola retak membentuk kemiringan mendekati 45°. Ditemukan bahwa jarak tulangan pada lapisan beton kulit mempengaruhi pola retak permukaan panel beton dan daktilitas panel sandwich. Pada permukaan panel dengan jarak antara tulangan yang besar, terbentuk retak diagonal yang rapat. Apabila jarak antara tulangan semakin rapat maka daktilitas panel sandwich akan meningkat. Hasil pengujian ini juga menunjukkan bahwa panel sandwich yang terdiri dari lapisan beton kulit dengan indeks penulangan 1,0% mempunyai kekuatan geser tertinggi saat dibebani beban lateral in plane. Ketebalan lapisan beton kulit panel sandwich mempengaruhi kurva hubungan antara beban dan deformasi lateral. Dan hasil pengujian didapatkan bahwa panel sandwich yang terbuat dari lapisan kulit beton normal dengan jarak antara tulangan 150 mm dan tebal 30 mm mencapai kekuatan tertinggi dibandingkan dengan panel sandwich yang terbuat dari lapisan kulit beton normal dengan jarak antara tulangan 150 mm dan tebal 20 mm atau 40 mm. Hal ini disebabkan karena terjadi keruntuhan lokal prematur pada beton normal dengan tebal 20 mm dan keruntuhan lokal prematur pads beton ringan yang diapit oleh beton normal dengan tebal 40 mm. Pada panel sandwich dengan ketebalan lapisan beton normal 20 mm, keruntuhan terjadi pada lapisan normal tersebut dikarenakan lapisan beton ini tipis. Sedangkan pada sandwich dengan ketebalan lapisan beton normal 40 mm, keruntuhan terjadi pada lapisan ringan yang berada pada tengah panel sandwich, dikarenakan lapisan beton normal ini terlalu tebal. Hal ini terjadi karena semakin tebal lapisan beton normal semakin
kuat lapisan kulit panel sandwich tersebut. Hasil studi ini juga menunjukkan, bahwa kekakuan panel sandwich beton normal-ringan-normal berada diantara kekakuan panel solid beton normal dan panel solid beton ringan. Bila dibandingkan terhadap panel solid beton ringan, maka kekakuan panel sandwich beton normal-ringan-normal ini memiliki kekakuan sekitar empat kali lebih tinggi; hal ini sesuai dengan hipotesis. Dari penelitian ekperimental tahap pertama dan tahap kedua dapat diketahui sifat-sifat kekuatan, kekakuan, dan daktilitas struktur. Sedangkan, kontur tegangan sulit diketahui dari pengujian eksperimental saja. Oleh karena itu, untuk mengetahui distribusi tegangan tarik dan tekan pada panel sandwich beton normal-ringan-normal, maka penelitian dilanjutkan dengan metode analitik dengan menggunakan metode elemen hingga non-linier dengan bantuan program komputer. Sebelum dilakukan analisis tegangan pada panel sandwich, hasil analisis program metode elemen hingga non-linier diverifikasi terlebih dahulu dengan cara curve-fitting terhadap hasil kurva hubungan antara beban dan deformasi lateral pada penelitian eksperimental tahap kedua. Hasil analisis curve-fitting dengan program metode elemen hingga non-linier, secara umum menunjukkan bahwa sebagian besar hasil eksperimental dapat diprediksi dengan baik terutama pada kondisi elastis kurva beban-deformasi lateral panel mendekati hasil eksperimental. Hasil analisis program metode elemen hingga non-linier, memperlihatkan bahwa kontur distribusi tegangan tekan pada panel sandwich beton menunjukkan perilaku transfer gaya geser struktur panel melalui penunjang diagonal beton ( diagonal strut), hal ini sesuai dengan pola retak diagonal yang terbentuk pada pengujian eksperimental. Lebar diagonal strut tersebut dipengaruhi oleh rasio tulangan pada lapisan beton kulit panel sandwich. Analisis dengan metoda elemen hingga menghasilkan rasio antara tegangan tekan dan tarik pada lapisan beton ringan yang lebih tinggi dibandingkan dengan yang terjadi pada lapisan beton normal. Pada lapisan kulit panel sandwich,- beton normal mempunyai tegangan tarik lebih besar daripada tegangan tekan. Hal ini dikarenakan adanya tulangan baja pada lapisan tersebut yang menahan tegangan tarik. Sebaliknya terjadi pada lapisan inti panel sandwich dimana pada lapisan ini tegangan tarik beton ringan jauh lebih kecil, karena lapisan beton ringan ini merupakan beton polos. Baik ketebalan setiap lapisan inti dan kulit, maupun jarak tulangan pada lapisan kulit secara signifikan tidak mempengaruhi distribusi tegangan tekan yang terjadi pada penampang setiap lapisan beton normal dan beton ringan panel sandwich. Perbandingan distribusi tegangan tekan rata-rata pada lapisan beton normal dan lapisan beton ringan secara berturut-turut sebesar 74% dan 26% dari tegangan tekan total panel sandwich beton. Dan penelitian ini diketahui bahwa panel sandwich beton normal-ringan-normal yang menahan beban lateral in plane mempunyai perilaku sebagai berikut: (a) panel bersifat komposit monolit bila dilengkapi konektor dengan nilai p sebesar 0,60%; (b)semua panel sandwich mengalami keruntuhan geser; (c) panel akan mencapai kekakuan , kekuatan, dan daktilitas yang optimum jika tebal total lapisan beton kulit relatif sama dengan tebal lapisan beton inti, serta indeks penulangan pada lapisan kulit pada kedua arah utama panel, masing-masing sekitar 1,0%;(d) selain daripada itu, sebagian besar tegangan tekan pada panel
pracetak sandwich beton normal-ringan-normal ditahan oleh beton normal pada lapisan kulit, sehingga tegangan tidak terdistribusi secara merata. Karena lapisan beton normal tersebut diberi tulangan, maka lapisan beton normal tersebut lebih kuat daripada beton ringan yang menyebabkan keruntuhan panel sandwich beton diawali dengan keruntuhan tarik diagonal pada lapisan beton ringan. Kata kunci: normal-ringan-normal panel sandwich, beban lateral in-plane,beton ringan, komposit monolit, konektor geser, bidang geser, daktilitas, penunjang diagonal beton, kontur tekan, keruntuhan tarik.
ABSTRACT THE BEHAVIOR OF PRE-CAST NORMAL-LIGHT-NORMAL WEIGHT CONCRETE SANDWICH PANELS UNDER LATERAL IN-PLANE LOADING By: MARDIANA OESMAN NIM:35098022 Pre-cast lightweight aggregate concrete panels have lower masses compared to that of pre-cast normal weight aggregate concrete panels therefore it is easier to mobilize during a construction. Pre-cast lightweight aggregate concrete panels can be used as structural members such as shear walls to resist lateral earthquake load. Since the panel mass is lighter than normal concrete it will reduce the inertial forces induced by the earthquake load decreasing the structural response. In order to increase the stiffness together with the strength and ductility of the lightweight concrete and also to simplify the construction method then a sandwich panel system is developed. The sandwich panel consists of two normal weight concrete at the outer layers in-filled with the lightweight concrete. The normal weight concrete layers are reinforced with longitudinal and transverse steel reinforcements increasing the strength and ductility of the panels as structural elements to resist lateral in plane loading. The sandwich panel for being capable to resist lateral in plane loading is required to satisfy the compatibility between deformation and load. Consequently, the sandwich panel has to behave as a monolithic composite structural element. The monolithic composite panel is capable to deform laterally in which each concrete layer will also deform laterally under the same and equal manner. To satisfy the requirement for the composite panel behavior, shear connectors are developed to bond all of the three concrete layers of the sandwich panel. The research was carried out to investigate on the mechanical behavior of normal light-normal weight concrete sandwich panels under lateral in plane loading. The research consists of experimental works and analytical model for analysis. The experimental work comprises of two phases. The first phase of the experimental study is to investigate the type and behavior of the shear connectors under vertical shear load or push-off test. The push-off test was conducted using 104 prismatic specimens. Each specimen consists of two normal weight concrete at the outer layers in-filled with one layer of lightweight concrete. The thickness of each of the normal weight and the lightweight concrete layers were 60 mm and 80 mm, respectively resulting in the dimension of the cross section is 200 mm by 100 mm. The height of the specimens was varied, i. e. 200 mm, 300 mm, and 500 mm. The three concrete layers were connected by the steel shear connectors with diameter of 5.5 mm in the form of sinusoidal type. The push-off tests were carried out to obtain p , which is defined as the ratio of the cross sectional area of the shear connector to the shear area. The method to determine p was developed by varying the p value of the push-off tests. The maximum p obtained relates to the highest value of shear strength of interface lamina of normal-lightweight concrete leading to a failure which is initiated by
yielding of the connectors prior to crushing of the normal and lightweight concrete of the specimens. After the maximum p has been found, then this value was used in the design of normal-light-normal weight concrete sandwich panels to conduct the second phase of the experimental research. The results of the first phase research indicated that shear strength of interface lamina of normal-lightweight concrete is increasing as the value of p increases. It is found that the maximum value of p in this research was around 0.60%. In addition to the behavior of the shear connector developed under the push-off tests, the formulation of the relationship between p and the shear strength of the specimen among the layers at the interfaces of the normal and lightweight concretes are also developed. It is expected that the formulation will contribute to current concrete codes. The second phase of experimental research was carried out for seven concrete sandwich panel specimens consisting of five specimens of normal-light-normal weight concrete sandwich panels, one specimen of solid normal concrete panel, and one specimen of solid lightweight concrete panel. The last two specimens were constructed to be used as a reference to compare the behavior of the sandwich panels. This research was conducted to study the behavior of normallight-normal weight concrete sandwich panels under lateral in plane loadings. The dimension of the panels was 800 mm in length by 120 mm in width by 800 mm in height leading to the ratio of the height to the length (hw/lw) equals to one assuring that the collapse mechanism is a shear type of failure. The variables of the tests were the steel reinforcement spacing at the outer concrete lamina, and thickness of each concrete lamina of the sandwich concrete panels. The result of the tests was presented in form of crack patterns and the relationship between load and lateral deformation. The results indicated that all of the sandwich panels underwent shear failure with crack patterns in the panels developing slopes close to 45°. It was found that the reinforcement spacing at the outer concrete lamina has significant effect on the. crack pattern of interface concrete lamina and ductility of the sandwich panel. At the interface of the concrete lamina, the wider the steel reinforcement spacing the closer the space among diagonal cracks is developed. In addition to that, the closer the steel reinforcement spacing the higher the ductility of the sandwich panel was observed The result also showed that 1.0% of reinforcement index at the outer concrete layers will lead the highest strength of the sandwich panel. The thickness of the outer concrete sandwich lamina has a significant effect to the relationship between the load and lateral deformation. It was found that the specimen with the thickness of 30 mm and the steel reinforcement of 150 mm of the normal weight concrete at the outer layers has the highest strength when it is compared to those with the thickness of 20 mm and 40 mm. This is because of premature failure occurred at the layer of the sandwich panels. For the panel with 20 mm normal concrete layer, the failure occurred at the normal concrete layers as these layers are thin. However, for the 40 mm normal concrete layers, the failure occurred at the in-filled lightweight concrete as the outer layers became thicker leading to stronger outer layers. The results also showed that the value of the stiffness of the normallight-normal weight concrete sandwich panel specimens is in between the values of the stiffness of the normal concrete solid panel and the lightweight concrete solid panel specimens. When it is compared to the stiffness of the lightweight concrete
solid panel only, the stiffness of the normal-light-normal weight concrete sandwich panel was four times higher, which is in line with the hypothesis. From the phase one and phase two of the experimental research, the strength, the stiffness and the ductility of the structures are found. However, the stress contour is rather difficult to find from the experimental work. To study the tensile and compression stress distribution of the normallight-normal weight concrete sandwich panel, the research was continued using analytical method of nonlinear finite element computer program. Before the stress analysis of the concrete sandwich panel was conducted, the results of the analytical method were first verified with the curve fitting of the relationship between load and deformation obtains from the experimental works. In general, the load-lateral deformation relationship obtained from the experimental work shows a good agreement with the nonlinear finite element method particularly at elastic condition. The finite element results in the contour of stress compression distribution of the sandwich panels indicating the shear transfer mechanisms through concrete diagonal struts. This is confirmed with the crack patterns occurring in the experimental tests. The compression strut width is affected by steel reinforcement ratio located the outer concrete lumina. It is found that the ratio of the compression stress to the tension stress in the lightweight concrete layer is higher than that in the normal concrete layer. In the normal concrete located at the outer layers, the tensile stress is higher than the compression stress. This is because the steel reinforcement resisted the tensile stresses. However, in the lightweight concrete layer the tensile stress is much lower than the compression stress as there is no steel reinforcement within the layer. Both the thickness of sandwich concrete layers and the reinforcement spacing at the outer concrete layers did not significantly effect to the compression stress distribution at cross section of the sandwich panels. The average compression stress distribution in each layer of normal and lightweight concrete was 74% and 26 % of the total compression stress of the concrete sandwich panels, respectively. From this investigation it can be shown that the normal-light-normal weight concrete sandwich panels under lateral in plane loading behave as follows: (a) panels are considered as a monolithic composite structural member when the members are bonded by shear connector with ρ equals to 0.60%; (h) all panel specimens collapse under shear failure mechanism; (c) panels reach the optimum strength, stiffness and ductility if the reinforcement index at the outer concrete layers is 1.0%; (d) in addition to that, a larger portion of the compressive stress at the sandwich panel is resisted by the normal concrete at the outer layers showing that the compression stresses are not uniformly distributed. As it is steel reinforced, the outer concrete layers are stronger than that of the lightweight concrete layer thus the collapse of sandwich panels is initialized by diagonal tension failure of the lightweight concrete layers. Keywords : normal-light-normal, , sandwich panels, lateral in plane loading, lightweight concrete, monolithic composite structural member, shear connectors, shear area, ductility, concrete diagonal strut, compression contour, tension failure.
