Struktur Beton Bertulang
Beton dan Beton Bertulang
Beton adalah campuran pasir, kerikil atau batu pecah, semen, dan air. Bahan lain (admixtures) dapat ditambahkan pada campuran beton untuk meningkatkan workability, durability, dan waktu pengerasan. Beton mempunyai kekuatan tekan yang tinggi, dan kekuatan tarik yang rendah. Beton dapat retak karena adanya tegangan tarik akibat beban, susut yang tertahan, atau perubahan temperatur. Beton bertulang adalah kombinasi dari beton dan baja, dimana baja tulangan memberikan kekuatan tarik yang tidak dimiliki beton. Baja tulangan juga dapat memberikan tambahan kekuatan tekan pada struktur beton.
Towers
CN Tower, 1975
Cantilever
Ganter Bridge, 1980, Swiss
Water Building
Dutch Sea Barrier
Komponen Struktur Beton Bertulang
Keuntungan Penggunaan Beton Bertulang untuk Material Struktur
Mempunyai kekuatan tekan yang tinggi dibandingkan kebanyakan material lain. Cukup tahan terhadap api dan air. Sangat kaku. Pemeliharaan yang mudah. Umur bangunan yang panjang. Mudah diproduksi, terbuat dari bahan-bahan yang tersedia lokal (batu pecah/kerikil, pasir, dan air), dan sebagian kecil semen dan baja tulangan yang dapat didatangkan dari tempat lain. Dapat digunakan untuk berbagai bentuk elemen struktur (balok, kolom, pelat, cangkang, dll). Ekonomis, terutama untuk struktur pondasi, basement, pier, dll. Tidak memerlukan tenaga kerja dilatih khusus.
Kerugian Penggunaan Beton Bertulang untuk Material Struktur
Mempunyai kekuatan tarik yang rendah sehingga memerlukan baja tulangan untuk menahan tarik. Memerlukan cetakan/bekisting serta formwork sampai beton mengeras, yang biayanya bisa cukup tinggi. Struktur umumnya berat karena kekuatan yang rendah per unit berat. Struktur umumnya berdimensi besar karena kekuatan yang rendah per unit volume. Properties dan karakteristik beton bervariasi sesuai dengan proporsi campuran dan proses mixing. Berubah volumenya sejalan dengan waktu (adanya susut dan rangkak).
Mekanisme Struktur Beton dan Beton Bertulang
Retak terjadi pada beton karena tidak kuat memikul tegangan tarik Baja tulangan tarik diberikan untuk memikul tegangan tarik pada struktur beton bertulang
Perencanaan Struktur
Tujuan Disain: Struktur harus memenuhi kriteria berikut,
Sesuai dengan fungsi/kebutuhan Ekonomis Layak secara struktural Pemeliharaan mudah
Proses Disain:
Definisi kebutuhan dan prioritas Pengembangan konsep sistem struktur Disain elemen-elemen struktur
Prinsip Dasar Disain
Kekuatan > beban Berlaku untuk semua gaya dalam, yaitu momen lentur, gaya geser, dan gaya aksial Rn > 1S1 + 2S2 + … adalah faktor reduksi kekuatan/tahanan, i adalah faktor beban bervariasi sesuai dengan sifat gaya,
Lentur, = 0.80 Geser dan torsi, = 0.75 Aksial tarik, = 0.80 Aksial tekan, dengan tulangan spiral, = 0.70 Aksial tekan, dengan tulangan lain, = 0.65
Prinsip Dasar Disain
bervariasi sesuai dengan sifat beban dan peraturan Beban yang umum bekerja:
Beban Beban Beban Beban Beban Beban
mati atau berat sendiri (D) hidup (L) atap (Lr) hujan (R) gempa (E) angin (W), dll
Kombinasi beban yang umum dipakai:
U = 1.4D ; U = 1.2D + 1.6L U = 1.2D + L + E, dsb.
Struktur Beton Bertulang
Properties Beton Bertulang
Kekuatan tekan Modulus Elastisitas Rasio Poisson Susut (Shrinkage) Rangkak (Creep) Kekuatan tarik Kekuatan geser
Material Beton
Hubungan regangan vs waktu
Material Beton
Hubungan tegangan-regangan
Material Beton
Hubungan kekuatan vs waktu
Kekuatan Tekan (fc’)
Tipikal kurva tegangan-regangan beton
Kekuatan Tekan (fc’)
Kurva tegangan regangan bersifat linier hingga 1/3 sampai 1/2 dari kekuatan tekan ultimate, setelah itu kurva bersifat non linier Tidak terdapat titik leleh yang jelas, kurva cenderung smooth Kekuatan tekan ultimate tercapai pada regangan sebesar 0.002 Beton hancur pada regangan 0.003 sampai 0.004. Untuk perhitungan, diasumsikan regangan ultimate beton adalah 0.003 Beton mutu rendah lebih daktail dari beton mutu tinggi, yaitu mempunyai regangan yang lebih besar pada saat hancur
Kekuatan Tekan (fc’)
Ditentukan berdasarkan tes benda uji silinder beton (ukuran 15 x 30 cm) usia 28 hari Dipengaruhi oleh:
Perbandingan air/semen (water/cement ratio) Tipe semen Admixtures/bahan tambahan Agregat Kelembaban pada waktu beton mengeras Temperatur pada waktu beton mengeras Umur beton Kecepatan pembebanan
Modulus Elastisitas, Ec
Beberapa definisi:
Modulus awal, yaitu slope atau kemiringan kurva tegangan regangan di titik awal kurva Modulus tangen, yaitu slope atau kemiringan di suatu titik pada kurva tegangan regangan, misalkan pada kekuatan 50% dari kekuatan ultimate
Nilai Modulus Elastisitas: Ec = wc1.5 (0.043) fc’ (SI Unit) Ec = wc1.5 (33) fc’ (Imperial Unit) Untuk beton normal, wc = 2320 kg/m3 (atau 145 lb/ft3 ): Ec = 4700 fc’ (SI Unit) Ec = 57000 fc’ (Imperial Unit)
Kekuatan Tarik
Kekuatan tarik (modulus of rupture): fr = 6M/(bh2) Kekuatan tarik – split test (tensile flexural strength) ft = 2P/(ld)
Susut (Shrinkage)
Pada saat adukan beton mengeras, sebagian dari air akan menguap. Akibatnya beton akan menyusut dan retak. Retak dapat mengurangi kekuatan elemen struktur, dan dapat menyebabkan baja tulangan terbuka sehingga rawan terhadap korosi. Susut berlangsung pada waktu yang lama, tetapi 90% terjadi pada tahun pertama. Semakin luas permukaan beton yang terbuka, semakin tinggi tingkat susut yang terjadi. Untuk mengurangi susut:
Gunakan air secukupnya pada campuran beton Permukaan beton harus terus dibasahi selama pengeringan berlangsung (curing) Pengecoran elemen besar (plat, dinding, dll) dilangsungkan secara bertahap Gunakan sambungan struktur untuk mengontrol lokasi retak Gunakan tulangan susut Gunakan agregat yang padat dan tidak berongga (porous)
Rangkak (Creep)
Pada saat mengalami beban, beton akan terus berdeformasi sejalan dengan waktu. Deformasi tambahan ini disebut dengan rangkak atau plastic flow. Pada saat struktur dibebani, deformasi elastis akan langsung terjadi pada struktur, Jika beban terus bekerja, deformasi akan terus bertambah, hingga deformasi akhir dapat mencapai dua atau tiga kali deformasi elastis. Jika beban dipindahkan, struktur akan kehilangan deformasi elastisnya, tetapi hanya sebagian kecil dari deformasi tambahan/rangkak yang akan hilang. Sekitar 75% dari rangkak terjadi pada tahun pertama.
Beton normal vs Beton ringan
Baja Tulangan
Terdiri dari tulangan polos dan tulangan ulir Umumnya kekuatan tarik baja:
Tulangan polos: fy = 240 MPa Tulangan ulir: fy = 400 Mpa
Kurva Tegangan-Regangan Baja Tulangan
Ukuran Baja Tulangan
Pembebanan pada Struktur
Jenis beban:
Beban mati/Dead Loads (DL) : berat sendiri struktur, beban permanen Beban hidup/Live Loads (LL) : berubah besar dan lokasinya Beban lingkungan : gempa (E), angin (W), hujan (R), dll
Kombinasi beban ditentukan oleh peraturan, misal:
1.4 D 1.2 D + 1.6 L
Analisis Lentur Balok Beton Bertulang
Balok mengalami 3 tahap sebelum runtuh:
Sebelum retak (uncracked concrete stage) Setelah retak – tegangan elastis (concrete cracked-elastic stresses stage), Kekuatan ultimate (ultimate strength stage)
Analisis Lentur Balok Beton Bertulang
Analisis Lentur Balok Beton Bertulang
Analisis Lentur Balok Beton Bertulang
Uncracked concrete stage
Tegangan tarik beton fc < fr
fr = 0.7 fc’ fr = 7.5 fc’
(SI Unit) (US Unit)
Dibatasi oleh momen pada saat retak (cracking moment) Mcr Mcr = fr Ig / yt
Contoh 1: Cracking Moment
Contoh 1: Cracking Moment
Concrete Cracked – Elastic Stresses Stage
Beton di bawah garis netral (NA) tidak memikul gaya tarik, dan sepenuhnya ditahan oleh baja NA ditentukan dengan prinsip transformed area (n x Ac) Rasio modulus: n = Es/Ec
Contoh 2: Bending Moment for Cracked Concrete
Ultimate Strength Stage
Asumsi: Tulangan tarik leleh sebelum beton di daerah tekan hancur Diagram kurva tegangan beton dapat didekati dengan bentuk segi empat
Ultimate Strength Stage
Penyederhanaan kurva tegangan beton: US Unit
SI Unit
Ultimate Strength Stage
Prosedur Analisis: 1. Hitung gaya tarik T = As fy 2. Hitung C = 0.85 fc’ a b, dan dengan T = C, tentukan nilai a 3. Hitung jarak antara T dan C (untuk penampang segi empat, jarak tersebut adalah d – a/2) 4. Tentukan Mn sebagai T atau C dikalikan dengan jarak antara kedua gaya tersebut
Contoh 3: Nominal moment
Keruntuhan Balok Beton Bertulang
Tension failure
Compression failure
tulangan leleh sebelum beton hancur balok bersifat under-reinforced beton hancur sebelum tulangan leleh balok bersifat over-reinforced
Balanced failure
beton hancur dan tulangan leleh secara bersamaan balok bersifat balanced-reinforced
Keruntuhan Balok Beton Bertulang
Luas Tulangan Minimum
Diperlukan untuk mencegah balok runtuh mendadak Berdasarkan peraturan:
Luas Tulangan Balanced b
Beton hancur dan tulangan leleh secara bersamaan
Tulangan Tekan/Negatif
Tulangan tekan/negatif adalah tulangan yang berada di daerah tekan balok Balok yang mempunyai tulangan tarik dan tekan disebut doubly reinforced beams Momen Nominal:
Contoh 4: Doubly Reinforced Beams SOLUTION
Contoh 4: Doubly Reinforced Beams
Tulangan Transversal/Geser
Memikul sebagian gaya geser pada balok Menahan retak geser pada balok Meningkatkan kekuatan dan daktilitas balok
Tulangan Transversal (Stirrup)
Kekuatan Geser Balok
Kuat geser nominal: Vn = Vc + Vs Kuat geser beton: Vc = 2 fc’ bw d Vc = (fc’ bw d)/6 Kuat geser tulangan: Vs = Av fy d/s
(US Unit) (SI Unit)
Contoh 5: Stirrup
Contoh 5: Stirrup
Perencanaan Balok (Komponen Struktur Lentur) pada SNI
Komponen Struktur Lentur (Balok) Persyaratan Gaya: Gaya aksial tekan terfaktor pada komponen struktur tidak ' melebihi 0,1Ag f c Persyaratan Geometri: Bentang bersih komponen struktur tidak boleh kurang dari empat kali tinggi efektifnya. Perbandingan lebar terhadap tinggi ≥ 0,3. Lebar penampang haruslah (a) ≥ 250 mm, (b) ≤ lebar kolom ditambah jarak pada tiap sisi kolom yang tidak melebihi tiga perempat tinggi komponen struktur lentur
Persyaratan Tulangan Lentur
Jumlah tulangan atas dan bawah tidak boleh kurang dari tulangan minimum atau 1,4bwd/fy, dan rasio tulangan tidak boleh melebihi 0,025. Harus ada minimum dua batang tulangan atas dan dua batang tulangan bawah yang dipasang secara menerus Kuat lentur positif balok pada muka kolom harus ≥ setengah kuat lentur negatifnya. Kuat lentur negatif dan positif pada setiap penampang di sepanjang bentang harus ≥ seperempat kuat lentur terbesar pada bentang tersebut. Sambungan lewatan pada tulangan lentur harus diberi tulangan spiral atau sengkang tertutup yang mengikat sambungan tersebut. Sambungan lewatan tidak boleh digunakan (a) pada daerah hubungan balok-kolom (b) pada daerah hingga jarak dua kali tinggi balok dari muka kolom, dan (c) pada tempat-tempat yang berdasarkan analisis, memperlihatkan kemungkinan terjadinya leleh lentur akibat perpindahan lateral inelastis struktur rangka
Tulangan Lentur (Longitudinal) Balok
Persyaratan Sambungan Lewatan
Persyaratan Tulangan Transversal
Sengkang tertutup harus dipasang: Pada daerah hingga dua kali tinggi balok diukur dari muka tumpuan Di sepanjang daerah dua kali tinggi balok pada kedua sisi dari suatu penampang yang berpotensi membentuk sendi plastis Sengkang tertutup pertama harus dipasang tidak lebih dari 50 mm dari muka tumpuan. Spasi sengkang tertutup tidak boleh melebihi (a) d/4, (b) delapan kali diameter terkecil tulangan memanjang (c) 24 kali diameter batang tulangan sengkang tertutup, dan (d) 300 mm.
Tulangan Transversal Balok (Confinement/Kekangan)
Contoh Sengkang Tertutup yang Dipasang Bertumpuk 6db ( 75 mm)
Detail A A ul a n g
6db
Detail B
Pengikat-pengikat silang berurutan yang mengikat tulangan longitudinal yang sama harus mempunyai kait 90oyang dipasang selang-seling
Detail C A C la n g a
B
C
Persyaratan Kuat Geser
Gaya Rencana Gaya geser rencana Ve harus ditentukan dari peninjauan gaya statik pada bagian komponen struktur antara dua muka tumpuan Tulangan transversal Tulangan transversal harus dirancang untuk memikul geser dengan menganggap Vc = 0 bila: a. Gaya geser akibat gempa mewakili setengah atau lebih daripada kuat geser perlu maksimum di sepanjang daerah tersebut, dan b. Gaya aksial tekan terfaktor, termasuk akibat ' gempa, lebih kecil dari Ag f c / 20
Perencanaan Geser untuk Balok Untuk balok: Ve
M pr 1 M pr 2 L
Wu L 2
Beban gravitasi WU = 1,2D + 1,0L
Ve
Ve Mpr
Mpr1
2
L
Momen ujung Mpr didasarkan pada tegangan tarik 1,25 fy
Susut
Susut
Efek kelembaban pada susut
Efek ketebalan beton pada susut
Rangkak
Rangkak
Efek ketebalan beton pada rangkak
