10. Struktur Komposit dan Struktur Campuran
10.2. Struktur komposit
Penampang beton bertulang pada dasarnya adalah struktur komposit, yaitu elemen struktur yang terdiri dari dua macam material berbeda (E berbeda) untuk bersama- sama memikul gaya-gaya. Tidak disebut komposit karena beton bertulang dan beton tanpa tulangan perilakunya sangat berbeda. Selain itu tulangan baja yang digunakan adalah juga khusus, hanya untuk sistem beton bertulang saja, tidak bisa dipakai mandiri seperti halnya profil baja. Oleh karena itu material beton yang dirangkai bersama-sama dengan tulangan baja dianggap satu kesatuan, beton bertulang.
Istilah elemen struktur komposit adalah untuk elemen struktur yang menggabung- kan keunggulan beton-bertulang dengan pemakaian profil baja, yang biasa dipakai pada konstruksi baja, untuk bersama-sama memikul gaya-gaya dan momen jika ada. Elemen struktur komposit yang paling banyak dijumpai, untuk konstruksi bangunan mulai dari yang rendah sampai tinggi adalah balok atau slab komposit. Ini wajar saja karena pemilihan balok komposit memang ditujukan untuk mengantisipasi masalah pada struktur bentang lebar, yaitu terjadinya momen lentur besar. Balok dibebani lentur, sisi tarik ditahan oleh material baja secara efisien, sedangkan bagian desak ditahan oleh beton yang berdimensi lebih besar dan mempunyai ketahanan tekuk yang lebih baik. Jika dipakai baja pada sisi desak, tidak efisien, karena kegagalan tekuk akan terjadi lebih dulu tanpa harus mengalami kelelehan. Jadi penggunaan mutu baja yang tinggi menjadi tidak efisien.
Sistem balok komposit paling sesuai diterapkan pada balok pendukung lantai (dari beton bertulang), baik pada bangunan gedung maupun jembatan. Pada sistem balok lantai, agak susah membedakan dari tampilan luar apakah sistem balok baja non- komposit atau komposit. Perbedaan hanyalah ditentukan oleh keberadaan shear stud atau shear connector yang tertanam pada pelat betonnya, yang menyebabkan kedua komponen struktur (profil baja dan lantai beton) berperilaku komposit.
Gambar 63. Sistem Balok Komposit pada Jembatan Standar(Sumber : Trans Bakrie)
Sistem balok komposit pada jembatan di atas, menghasilkan struktur yang sangat efisien, kinerjanya bahkan dapat dibandingkan dengan sistem beton prategang. Jembatan dipilih karena strukturnyasimple-beamdan dapatberbentang panjang, kasus masalah yang paling cocok memakai sistem balok komposit.
Agar aksi komposit bekerja optimal, yaitu profil baja menerima tarik dan pelat beton menerima tekan, maka penempatannya sangat menentukan. Dalam hal ini, pelat beton umumnya adalah lantai, yang posisinya pasti ada di atas profil balok bajanya. Untuk kondisi itu, akan optimal jika tegangan bagian atas (beton) adalah desak, dan bagian bawah (baja) adalah tarik. Itu akan terjadi pada sistem balok sederhana (simple-beam), khususnya untuk antisipasi momen lapangan balok bentang panjang. Sistem simple-beam dengan bentang panjang jarang dijumpai pada gedung tinggi. Kalau ada, umumnya diperuntukkan pada sistem lantai terhadap beban tetap. Untuk balok dengan sistem menerus, dimana momen terbesar di tumpuan maka kondisi tegangan jadi terbalik, sisi tarik di atas (beton) dan isi tekan di bawah (baja) pada kondisi ini maka aksi komposit tidak efektif, sebaiknya diabaikan saja.
Meskipun sistem balok komposit tidak banyak dipakai pada gedung tinggi, tetapi strateginya cocok diaplikasikan pada sistem pelat lantai. Bagaimanapun juga, lantai gedung umumnya adalah beton, karena mempunyai redaman yang baik terhadap getaran dan bunyi-bunyian. Masalahnya dari segi pelaksanaan, perlu bekisting dan waktu melepaskannya. Masalah diatasi dengan menggunakan pelatcorrugated baja sehingga dapat sekaligus berfungsi sebagai bekisting sekaligus tulangan positip. Itu berarti sistem lantai harus mengakomodasi sistem pelat komposit.
Gambar 64. Sistem pelat dan balok komposit pada lantai bangunan
Jadi keunggulan penggunaan pelat komposit adalah juga dalam segi pelaksanaannya, yaitu sebagai bekisting permanen. Adapun kelemahan balok komposit pada sistem menerus (momen negatif), diatasi dengan penambahan tulangan baja. Sedangkan shear connectoryang terdapat pada balok (Gambar 64), tidak sekedar agar menjadi balok komposit, tetapi juga diperlukan untuk menyatukan lantai dengan sistem struktur utamanya, yaitu agar lantainya dapat bekerja sebagaifloor-diaphragmyang menyebabkan gerakan lateral secara sekaligus pada saat gempa.
Penggunaan lantai komposit memakai pelatcorrugated baja menghasilkan perilaku slab satu arah (one-way slab). Kondisi tersebut mempengaruhi konfigurasi balok pemikulnya sehingga sistem balok dan pelat komposit perlu dipakai bersama-sama, seperti yang terdapat pada sistem lantai tipikal gedung Petronas di Kuala Lumpur.
Gambar 65. Struktur komposit di Petronas, Kuala Lumpur(Taranath 2005)
Jadi penggunaan sistem struktur komposit pada gedung Petronas ditujukan untuk sistem gravitasi, pada sistem struktur lantainya. Itulah mengapa balok kompositnya lebih banyak berupa balok tunggal (simple-beam). Atas dasar asumsi simple-beam itu pula maka hubungan balok komposit (profil baja) ke core-wall atau rangka beton perimeternya menjadi tidak rumit detailnya, sambungan tipe geser atau tumpu akan mencukupi (Gambar 66). Sistem balok komposit tidak memberi kekakuan lateral pada bangunan, terhadap gempa hanya berfungsi sebagaiFloor Diaphragms.
Keuntungan sistem balok dan pelat komposit untuk lantainya adalah tidak memer- lukan sistem bekisting dan perancah khusus, sehingga konstruksinya jadi cepat.
Gambar 66. Hubungan profil baja ke dinding beton(Taranath 2005)
Sistem balok dan pelat komposit pada Gedung Petronas sifatnya lokal (memikul lantai itu saja), tidak mempengaruhi perilaku struktur keseluruhan, arah vertikal atau arah lateral, maka sistem strukturnya tetap kategori gedung beton.
Kecuali struktur balok dan slab komposit, yang lainnya adalah kolom. Ada dua jenis kolom komposit yang biasa dipakai pada konstruksi bangunan. Pertama, profil baja terbungkus beton bertulang (Gambar 67). Kedua, pipa baja diisi beton struktur.
Gambar 67. Konsep desain kolom komposit(Taranath 2005)
Pada prinsipnya, perilaku dan perencanaan kolom komposit sama seperti kolom beton bertulang biasa, dalam hal ini profil baja dianggap seperti diskrit-diskrit tulangan. Adapun motivasi yang mendasari dipilihnya kolom komposit adalah agar jumlah luasan baja pada kolom tidak dibatasi seperti halnya kolom beton bertulang (≤ 4% Ab). Dengan kandungan material baja yang lebih banyak pada kolom tersebut
maka kapasitasnya diharapkan akan meningkat. Selain itu, karena banyak memakai material baja, maka resiko terjadinya rangkak (creep) dapat dikurangi signifikan.
Penggunaan kolom komposit memungkinkan proses pengecoran lantai-lantai secara paralel. Dalam hal ini, profil baja untuk kolom komposit dipilih sesuai kebutuhan erection, yaitu untuk memikul beberapa lantai di atasnya. Selanjutnya setelah lantai selesai dirakit dapat dilakukan pengecoran beton beberapa lantai secara sekaligus, termasuk kolom kompositnya. Contoh konfigurasi yang dijumpai di kota Louisiana dan Texas (Taranath 2005) dapat dilihat pada Gambar 68 berikut.
Gambar 68. Tube system dengan kolom komposit(Taranath 2005)
Gambar 68 adalah konfigurasi bangunan tinggi dengan sistem framed-tube, kolom perimeternya harus rapat. Untuk konstruksi beton bertulang, proses pelaksanaan harus bertahap, lantai-per-lantai. Oleh karena itu, dipilih sistem rangka baja untuk memikul beban gravitasi, sehingga dapat direncanakan ukuran minimalis. Adapun kolom tengah didesain sebagai kolom komposit, tetapi profil baja yang dipilih cukup untuk beberapa lantai di atasnya, meskipun sekedar untuk proses pelaksanaan saja.
Gambar 69. Alternatif sistem komposit pada gedung(Taranath 2005)
Elemen-elemen komposit bangunan di atas ditujukan untuk sistem struktur pemikul beban gravitasi, tetapi sebagian juga sebagai sistem struktur penahan lateral. Oleh karena itu bangunan tinggi di atas memakai sistem struktur komposit.
Implementasi sistem struktur komposit yang lengkap, pada sistem struktur gedung First City Tower, di Houston, Texas dalam dilihat secara detail, sebagai berikut:
Gambar 70. First-City Tower (49 lantai), di Houston, Texas(Taranath 2012)
Gedung First-City Tower dibangun tahun 1981, perencana struktur Walter P. Moore & Associate, menarik dibahas selain karena bentuknya yang unik, juga pemakaian sistem komposit lengkap, mulai balok, slab, kolom, bahkancore-wall utamanya.
(i) Kolom komposit (ii) Shear-wall komposit
Struktur yang terdiri profil dan tulangan baja, serta beton yang dapat bekerja secara sekaligus disebut struktur komposit. Tinjauan bisa lokal (elemen struktur), sehingga dapat ditinjau dari segi penampangnya saja (balok/slab/kolom/dinding-komposit).
Gambar 72. Perilaku komposit dinding geser berangkai(Taranath 2012)
Selain penampang, efek komposit dapat diterapkan dengan cara lain. Pada dinding- geser-berangkai, efek komposit dicapai dengan mengganti balok beton dengan profil baja, sedangkan dinding dari beton bertulang. Ini dipilih karena balok perangkai akan mengalami kondisi inelastis akibat momen bolak-balik. Jika dipilih profil baja, detailnya relatif sederhana dan juga lebih daktail, meskipun belum tentu lebih kaku. Gedung dengan sistem penahan lateral memakai elemen struktur komposit disebut gedung dengan sistem struktur komposit. Selain itu, bisa saja tidak ada elemen- elemen komposit yang digunakan, tetapi juga disebut sistem struktur komposit jika ditinjau secara keseluruhan, misalnya ”portal-baja” dan ”dinding geser beton”.