Tinjauan Teoritis dan Eksperimen Terhadap Kolom Segiempat yang
Berlubang pada Beton Mutu Tinggi
Oleh:
Darmansyah Tjitradi
Eliatun
Staff Pengajar Fakultas Teknik, Jurusan Teknik Sipil, UNLAM Banjarmasin
Abstract
Practically, it is often used the reinforced concrete installed with hard plastic pipes for water drains from upstairs to downstairs, without noticing the influence of the column strength as long as it is based on the ACI 318-95 chapter 6.3.4 with a hole diameter of no more than 4 percent of the cr oss section used in strength calculations. This regulation is applied only for Normal-Strength Concrete and has nothing to do with ductility. Until recently, the regulation is used more on High-Strength Concrete, therefore, this research aim is to know of flexural strength of reinforced concrete columns with the High-Strength Concrete (60 MPa) that has a hole. The experiment is done on seven short column tested specimens with the size of 200x200 mm and hole ratio 0 %, 4.52 %, 7.07 % and 11.04 % with single stirrup reinforcement and double stirrup reinforcement that has different degrees of confinement. Each tested
specimen is loaded with a constant axial load of 50 tons or 0.21 fc’.Ag and a transversal load that gradually
increases up to its flexural failure. The result of column experiment test showed that the bigger hole percentage the lower flexural strength of columns, and the usage of double stirrup reinforcement on the hollow column can improve the maximum flexural strength to around 14 % compared with a single stirrup reinforcement column. The result of flexural strength theoretical analysis and the ACI 318-95 is on the conservative side or safe enough to use for flexural capacity calculation on hollow section columns.
Keyword: hollowed rectangular section column, double stirrup reinforcement, high-strength concrete
Abstrak
banyak digunakan beton mutu tinggi karena itu penelitian ini mencoba mengetahui kapasitas lentur kolom beton
bertulang dengan mutu tinggi (fc’=60 MPa) yang berlubang. Eksperimen dilakukan pada tujuh benda uji kolom pendek berukuran 200 x 200 x 1120 mm dengan rasio lubang 0 %, 4,52 %, 7,07 % dan 11,04 % dengan sengkang tunggal dan sengkang rangkap yang berbeda tingkat pengekangannya. Masing-masing benda uji dikenakan beban aksial tetap sebesar 50 ton atau 0,21.fc’.Ag dan beban lentur yang secara berangsur-angsur meningkat sampai benda uji runtuh. Hasil dari pengujian laboratorium menunjukkan bahwa semakin besar persentase lubang, maka kekuatan lentur kolom akan semakin rendah. Penggunaan sengkang rangkap pada kolom yang berlubang dapa t meningkatkan kekuatan lentur maksimum sebesar 14% dibandingkan dengan kolom dengan sengkang tunggal. Momen lentur nominal dari hasil pengujian semua kolom menunjukkan nilai yang lebih besar dibandingkan dengan momen lentur nominal teoritis menurut peraturan ACI 318-95 sehingga cukup aman digunakan untuk perhitungan kapasitas lentur pada kolom berlubang.
Kata kunci: kolom segiempat berlubang, sengkang rangkap, beton mutu tinggi
1. Pendahuluan
Banyak kasus pemasangan saluran pipa air hujan yang terbuat dari pralon yang tertanam pada kolom (alasan estitika) tanpa memperhatikan pengaruh pengurangan kekuatan kolom. ACI 318-95 pasal 6.3.4 memperkenankan ini asalkan luas lubang tidak lebih dari 4 persen dari penampang melintang yang dipergunakan dalam perhitungan kekuatan. Peraturan tersebut berlaku untuk beton mutu normal (fc’ 55 MPa) dan tidak menyinggung masalah daktilitasnya.
Penelitian terhadap kolom segiempat yang berlubang pada beton mutu rendah telah dilakukan oleh Supriyadi (1997) yaitu meneliti mengenai pengaruh rasio lubang dengan dimensi kolom terhadap kuat batas kolom beton bertulang dan didapat hasil bahwa dengan rasio lubang sebesar 9,43% kolom belum menunjukkan keruntuhan tekuk (buckling failure) sampai beban batasnya dicapai.
2. Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah:
a. Mengetahui pengaruh lubang terhadap kapasitas lentur kolom, terutama kolom yang menggunakan pipa dengan persentase lubang melebihi 4%.
b. Mengetahui persentase pertambahan kekuatan lentur dari kolom segiempat berlubang dengan tulangan sengkang rangkap.
c. Mengetahui apakah analisis kapasitas lentur kolom secara teoritis menurut ACI 318-95 yang biasanya digunakan untuk menganalisis beton mutu normal masih cocok digunakan untuk menganalisis kapasitas lentur kolom beton mutu tinggi.
3. Tinjauan Pustaka
3.1 Analisis Kapasitas Momen Lentur Menurut ACI 318-95
Untuk menganalisis kekuatan lentur penampang kolom beton bertulang mutu normal dibutuhkan hubungan stress-strain beton maupun tulangan. Peraturan yang digunakan untuk menganalisis kekuatan lentur kolom dalam bentuk diagram interaksi kolom adalah ACI 318-95, yaitu dengan menggunakan blok tegangan segiempat ekivalen pada
tegangan 0,85.fc’ dan regangan maksimum pada serat tekan beton sebesar 0,003 serta tinggi blok tegangan segiempat ekivalen tergantung dari mutu beton, yaitu sebesar a = 1.c. Kemudian dengan menetapkan nilai garis netral (c) terlebih dahulu dan selanjutnya diproses dengan menghitung nilai gaya tekan beton (Cc) yang sudah memperhitungkan lubang dan persamaan kesetimbangan gaya aksial (P) serta Momen lentur (M) maka didapatkan nilai P dan M, dengan nilai P dan M yang didapat maka dapat dibuat diagram interaksi kolom.
Sketsa diagram tegangan-regangan beton pada penampang kolom dapat dilihat pada Gambar 1. Nilai 1 dapat
ditetapkan bahwa nilai reduksi adalah sebesar 0,08 untuk setiap kenaikan 10 MPa dari fc’=30 MPa. Ketentuan 1 ini dapat dirumuskan sebagai berikut:
1 = 0,85 untuk 0 fc’ 30 MPa ... (1)
1 = 0,85 – 0,008 .(fc’ – 30) untuk 30 fc’ 55 MPa ... (2)
4. Metode Penelitian
4.1 Rencana Benda Uji Kolom
Dalam penelitian ini dibuat tujuh benda uji kolom yang akan diuji kekuatan lentur dan daktilitasnya, rincian benda uji kolom dapat dilihat pada Tabel 1 (Darmansyah, 2001). Pemilihan kolom dengan sengkang tunggal dimaksudkan untuk mengetahui nilai daktilitas kolom yang menggunakan persyaratan jarak spasi sengkang menurut ACI 318-95 dan sebagai data pembanding untuk kolom dengan sengkang rangkap. Sedangkan pemilihan kolom dengan sengkang rangkap dimaksudkan untuk meningkatkan mutu pengekangan agar diharapkan kolom dapat lebih berperilaku daktail sehingga dapat diketahui persentase pertambahan kekuatan lentur dan daktilitasnya, disamping itu penelitian ini juga ingin mengetahui pengaruh persentase lubang yang melebihi 4% terhadap kekuatan lentur dan daktilitasnya.
Tabel 1. Perincian Rencana Benda Uji Kolom Segiempat
Keterangan notasi benda uji:
- KST berarti Kolom Sengkang Tunggal
Gambar 1. Analisis Kapasitas Momen Lentur Kolom menurut ACI 318-95 ht
Angka pertama menunjukkan 2 arti:
- Angka 1 berarti jarak spasi sengkang 50 mm - Angka 2 berarti jarak spasi sengkang 75 mm
Angka kedua menunjukkan 4 arti:
- Angka 0 berarti rasio lubang 0 % atau tanpa lubang
- Angka 1 berarti rasio lubang 4,52 % atau diameter lubang 48 mm - Angka 2 berarti rasio lubang 7,07 % atau diameter lubang 60 mm - Angka 3 berarti rasio lubang 11,04 % atau diameter lubang 75 mm
Perlu diketahui bahwa menurut persyaratan ACI 318-95 pasal 21.4.4.2 dengan jarak sengkang 10-100 memberikan nilai s = 0,0209, sehingga s pada sengkang tunggal nilainya lebih kecil dari s ACI, sedangkan s pada sengkang rangkap nilainya lebih besar dari s minimum yang disyaratkan oleh ACI. Gambar sketsa penulangan benda uji diperlihatkan pada Gambar 2 s.d. 5.
I
Gambar 2. Sketsa penulangan benda uji KST.1.0
L = 1630
Gambar 4. Sketsa penulangan benda uji KSR.2.0
L = 1630
Gambar 5. Sketsa penulangan benda uji KSR.2.2 dan KSR.2.3
4.2 Setup Pengujian Kolom
Untuk memberikan beban aksial tetap digunakan alat Hidraulick Jack kapasitas 200 ton, dan beban arah transversal digunakan Hidraulick Jack kapasitas 50 ton yang besarnya beban dikontrol dengan Load Cell kapasitas 60 ton. Sedangkan untuk pengukuran lendutan digunakan dial gauge 100 mm, dan untuk pengukuran kurvatur digunakan alat yokes yang dipasang LVDT pada serat tekan dan tarik (Pendyala, et. al., 1996). Setup peralatan percobaan tersebut diilustrasikan pada Gambar 6. Detail pemasangan Yokes, LVDT dan Dial Gauge dijelaskan oleh Gambar 7 yang berguna untuk mengetahui kurvatur kolom. Untuk memperhitungkan kurvatur kolom hasil eksperimen digunakan rumus yang berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan oleh Pendyala, dkk. (1996), yaitu:
h
Gambar 7. Pemasangan Yokes, LVDT dan Dial gauge
4.3 Rencana Pembebanan
Setup pembebanan benda uji kolom dilakukan seperti pada Gambar 8. Masing-masing benda uji kolom dikenakan beban aksial tetap sebesar N=50 ton atau 0,21.fc’.Ag, dan beban lentur yang secara berangsur-angsur meningkat
sampai benda uji runtuh.
5. Pengujian Eksperimental
5.1 Pengujian Mutu Bahan
Pengujian kuat tarik tulangan baja ini dilakukan dengan menggunakan mesin UTS (United Testing System), dan untuk tulangan baja ulir D12,68 didapat data hasil dari pengujian kuat tarik adalah fy = 340 MPa, y = 0,0017, sh =
0,021, dan su = 0,1731. Sedangkan untuk tulangan baja polos 7 didapat data hasil dari pengujian kuat tarik adalah
fy = 360 MPa, y = 0,0018, dan su = 0,1218.
Sedangkan pengujian kuat tekan silinder beton dilakukan dengan menggunakan mesin UTM (Universal Testing Machine) kapasitas 200 ton. Benda uji silinder yang direncanakan adalah benda uji silinder standar dengan ukuran
150 x 300 mm, sebanyak 20 buah. Hasil pengujian kuat tekan benda uji silinder didapat kuat tekan rata-rata 60 MPa. Pengujian mutu bahan ini dilakukan di Laboratorium Mekanika Bahan PAU UGM Yogyakarta.
5.2 Pengujian Kombinasi Gaya Aksial dan Lentur Benda Uji Kolom
Dalam pengujian eksperimen pembebanan arah transversal dikontrol dalam 2 tahap, yaitu:
1. Kontrol beban (Force Controlled Loading), yaitu peningkatan pembebanan sebelum mencapai beban maksimum dikontrol dengan penetapan interval beban yang diberikan.
2. Kontrol Lendutan (Displacement Controlled Loading), yaitu setelah pembebanan melewati beban maksimum dan memasuki tahap perlemahan (softening) maka program pembebanan dikontrol berdasarkan penambahan
½ P
N = 50 ton
1/3 L 1/3 L 1/3 L
N = 50 ton
½ P
lendutan yang ditetapkan dan melalui Load Cell atau manometer Hydraulick Jack dapat dicatat nilai beban transversal.
Proses selama pelaksanaan pengujian setiap benda uji dijelaskan sebagai berikut:
a. Sebelum melakukan pengujian, dilakukan pengukuran jarak antara yokes (l) dan tinggi antara LVDT (h).
b. Pengujian dimulai dengan memberikan beban aksial tetap sebesar N = 50 ton kemudian dilanjutkan dengan pembebanan transversal yang dimulai dari beban P = 0 s.d. 30 ton dengan penambahan beban 1 ton. Selama penambahan beban transversal ini beban aksial tetap dikontrol terus agar tidak terjadi penurunan beban (N < 50 ton).
c. Selama pembebanan dibawah beban maksimum pengujian berdasarkan kontrol pembebanan (Force Controlled Loading), dicatat beban pada saat retak pertama, saat beban beban maksimum dan pada saat beton spalling, serta nilai dari lendutan dicatat dari pembacaan alat dial gauge, dan nilai kurvatur dicatat dari alat LVDT yang datanya direkam oleh alat strain indicator.
d. Setelah dicapai beban maksimum maka cara pengujian dirubah menjadi kontrol lendutan (Displacement Controlled Loading) karena jika tetap berdasarkan kontrol beban maka tidak dapat dicatat besarnya lendutan yang bergerak sangat cepat, sehingga dengan kontrol terhadap lendutan yang ditetapkan penurunannya terlebih dahulu dapat dicatat besarnya beban pada saat lendutan tersebut, begitu seterusnya sampai benda uji tidak mampu lagi menahan beban transversal dan pengujian dihentikan. Pola retak hasil pengujian dapat dilihat di Lampiran pada Gambar 13 s.d. 19.
6. Hasil dan Pembahasan
6.1 Pengaruh Besar Lubang Pipa yang Tertanam pada Kolom
Tabel 2. Perbandingan Momen Lentur Maksimum Analisa Teoritis Menurut ACI 318-95 dan Hasil Uji Eksperimen
Kode Benda Uji
Rasio Lubang
(%)
Momen Maksimum (KN.m)
Analitis . Eksp
max
M
max
M
Analisa Teoritis
(ACI 318-95) Eksperimen
KST.1.0 0,00 65,186 85,530 1,31 KST.1.1 4,52 65,186 83,470 1,28 KST.1.2 7,07 65,186 80,620 1,24 KST.1.3 11,04 65,186 77,970 1,20 KSR.2.0 0,00 65,186 84,020 1,29 KSR.2.2 7,07 65,186 82,350 1,26 KSR.2.3 11,04 65,186 88,780 1,36
Sumber (Darmansyah, 2001)
6.2 Pengaruh Penggunaan Sengkang Rangkap
Dari hasil uji eksperimen pada Tabel 3 terlihat bahwa penggunaan sengkang rangkap untuk menambah mutu pengekangan pada kolom yang berlubang ternyata dapat meningkatkan kekuatan lentur sampai dengan 14 % dan nilai daktilitas kurvaturnya juga meningkat sampai dengan 34 % dibandingkan kolom dengan sengkang tunggal.
Tabel 3 Perbandingan Momen Maksimum-Daktilitas Kurvatur hasil uji eksperimen kolom dengan sengkang tunggal dan sengkang rangkap
Rasio
6.3 Validitas Hasil Analisa Teoritis Menurut ACI 318-95 dibandingkan dengan Hasil Uji
Eksperimen
Dari Tabel 2 dapat disimpulkan bahwa momen lentur maksimum yang didapat dari perhitungan analisa teoritis menurut ACI 318-95 nilainya lebih kecil daripada momen lentur hasil uji eksperimen, ini berarti bahwa kapasitas momen lentur maksimum hasil analisa teoritis menurut ACI 318-95 untuk beton mutu normal berada pada sisi yang konservatif atau cukup aman digunakan untuk perhitungan kapasitas momen pada kolom beton mutu tinggi.
Gambar 11. Diagram interaksi kolom menurut ACI 318-95 dan hasil uji eksperimen kolom dengan sengkang tunggal
Secara teoritis dapat diketahui bahwa pada taraf beban aksial P < 75 ton (P<0,30.fc’.Ag) ternyata lubang tidak mempengaruhi kapasitas momen lentur kolom, hal ini berlaku untuk kolom dengan sengkang tunggal maupun sengkang rangkap (lihat Gambar 11 dan 12). Gambar 11 s.d. 12 berturut-turut menyajikan diagram interaksi kolom menurut ACI 318-95 dan ploting hasil uji eksperimen kolom dengan sengkang tunggal dan sengkang rangkap.
7. Kesimpulan
Penelitian kekuatan lentur kolom segiempat berlubang yang memakai beton mutu tinggi (fc’= 60 MPa) dan dikekang dengan sengkang tunggal (s = 0,0184), dan sengkang rangkap (s = 0,0220), serta dibebani beban aksial tetap
sebesar 50 ton atau 0,21.fc’.Ag dan beban lentur menghasilkan kesimpulan sebagai berikut:
a. Semakin besar persentase lubang maka kekuatan lenturnya akan semakin rendah pada kolom dengan sengkang tunggal dan sengkang rangkap.
b. Pada kolom sengkang tunggal dengan persentase lubang yang lebih dari 4% kapasitas lenturnya mengalami penurunan sekitar 10 %, yaitu pada persentase lubang 11,04%.
c. Pada kolom dengan sengkang rangkap tidak menunjukkan penurunan kapasitas lentur yang berarti meskipun persentase lubang lebih dari 4%, hal ini menunjukkan penggunaan sengkang rangkap pada kolom yang berlubang ternyata dapat mempertahankan kapasitas lentur penampang sehingga kolom yang berlubang dapat lebih daktail.
Gambar 12. Diagram interaksi kolom menurut ACI 318-95 dan hasil uji eksperimen pada kolom dengan sengkang rangkap
d. Penggunaan sengkang rangkap pada kolom yang berlubang dapat meningkatkan kekuatan lentur maksimum sebesar 14 % dibandingkan dengan kolom dengan sengkang tunggal.
e. Kapasitas momen lentur maksimum hasil analisis teoritis menurut ACI 318-95 nilainya lebih kecil daripada kekuatan lentur hasil uji eksperimen, ini berarti bahwa kapasitas momen lentur maksimum hasil analisa teoritis menurut ACI 318-95 untuk beton mutu normal berada pada sisi yang konservatif atau cukup aman digunakan untuk perhitungan kapasitas momen pada kolom beton mutu tinggi.
f. Secara teoritis dapat diketahui bahwa boleh menggunakan persentase lubang pipa melebihi 4% asal taraf beban aksial kolom dibatasi kurang dari P < 75 ton atau P < 0,30.fc’.Ag.
8. Ucapan Terimakasih
Penulis mengucapkan terimakasih kepada Bapak Prof. Ir. Rachmat Purwono, M.Sc. (Staff Pengajar Program Magister Teknik Bidang Keahlian Struktur ITS Surabaya) yang telah banyak memberikan informasi mengenai materi tulisan ini, dan Laboratorium Mekanika Bahan PAU UGM Yogyakarta.
Daftar Notasi
bw = Lebar penampang kolom (mm)
c = Tinggi garis netral (mm) terhadap sisi luar serat tekan beton (mm) fc’ = Tegangan tekan beton karakterisitik (MPa)
h = Jarak antara LVDT serat tekan dan tarik (mm) ht = Tinggi penampang kolom (mm)
l = Jarak antar besi Yokes (mm)
L = Panjang bentang dari as-as tumpuan (mm) M = Momen Lentur (KN.m)
P = Gaya tekan aksial pada elemen (Kg) S = Spasi sengkang lateral, in
Tsi = Kekuatan tulangan baja yang ditinjau (Kg)
t = Perpanjangan pada serat tarik Yokes dari data LVDT
= Sudut rotasi yokes
s = Volumetric rasio dari tulangan lateral t = Volumetric rasio dari tulangan longitudinal
lub = Diameter lubang (mm)
Daftar Pustaka
1. ACI Committee 318, 1995, Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318 M-95) And Commentary (ACI 318 RM-95), American Concrete Institute.
2. Darmansyah T., 2001, Perilaku Daktail Kolom Segiempat Berlubang Yang Terkekang Pada Beton Mutu Tinggi. Tesis S2 Struktur Fakultas Teknik Sipil ITS Surabaya.
3. Pendyala R., Mendis P., Patnaikuni I., 1996, Full Range Behavior of High-Strength Concrete Flexural Members: Comparison of Ductility Parameters of High and Normal-Strength Concrete Members, ACI Structural Journal, V. 93, no. 1, January – February, pp. 30 - 35.
4. Supriyadi, 1997, Pengaruh Lubang dan Ratio Tulangan Pada Kuat Batas Kolom Beton Berlubang, Tesis S2 Struktur Fakultas Teknik Sipil UGM Yogyakarta.
Lampiran:
Gambar 13. Pola Retak Benda Uji KST. 1.0
Gambar 14. Pola Retak Benda Uji KST. 1.1
Gambar 16. Pola Retak Benda Uji KST. 1.3
Gambar 17. Pola Retak Benda Uji KSR. 2.0
Gambar 18. Pola Retak Benda Uji KSR. 2.2
Gambar 19. Pola Retak Benda Uji KSR. 2.3
Keterangan :
Angka pada gambar menunjukan nilai beban lentur pada saat retak dalam satuan ton
