BAB II
STUDI PUSTAKA
2.1 Teori Dasar Beton Prategang
Menurut ACI (American Concrete Institute) Beton prategang adalah beton yang mengalami tegangan internal dengan besar dan d i s t r i b u s i s e d e m i k i a n r u p a s e h i n g g a d a p a t m e n g i m b a n g i s a m p a i b a t a s t e r t e n t u tegangan yang terjadi akibat beban eksternal. Dapat ditambahkan bahwa beton prategang, dalam arti seluas-luasnya, dapat j u g a t e r m a s u k k e a d a a n ( k a s u s ) d i m a n a t e g a n g a n - t e g a n g a n y a n g d i a k i b a t k a n o l e h regangan-regangan internal diimbangi sampai batas tertentu, seperti pada konstruksi yang melengkung (busur). Tetapi dalam tulisan ini pembahasannya dibatasi dengan beton prategang yang memakai kawat baja yang ditarik dan dikenal sebagai tendon.
Pada awalnya, timbulnya retak pada beton bertulang yang disebabkan ketidak cocokan ( non compatibility) dalam regangan – regangan baja dan beton barangkali merupakan titik awal dikembangkannya suatu material baru seperti beton prategang. Disamping itu keuntungan yang ditimbulkan adalah dapat dipakai untuk bentang yang ukurannya lebih panjang karena dapat mengatur defleksinya.
2.2 Metode Prategang
Untuk memberikan tekanan pada beton prategang diakukan sebelum dan sesudah beton dicetak atau dicor. Kedua kondisi tersebut membedakan sistem prategang yaitu pre-tensiaon (pratarik) dan post- tension ( pascatarik)
2.2.1 Pratarik
Pada cara ini, tendon pertama-tama ditarik dan diangkur pada abutmen tetap. Beton dicor pada cetakan yang sudah disediakan dengan melingkupi tendon yang sudah ditarik tersebut. Jika kekuatan beton sudah mencapai yang disyaratkan maka tendon dipotong atau angkurnya dilepas. Pada saat baja yang ditarik berusaha untuk berkontraksi, beton akan tertekan. Pada cara ini tidak digunakan selongsong tendon.
Berikut ini adalah langkah pembuatan beton pratarik.
Langkah 1. Kabel ditegangkan pada alat pembantu ( Gambar 2.1a) Langkah 2. Beton dicor ( Gambar 2.1b)
Langkah 3. S e t e l a h b e t o n m e n g e r a s ( u m u r c u k u p ) b a j a d i p u t u s p e r l a h a n - l a h a n , tegangan baja ditransfer ke beton melalui transmisi baja ( Gambar II.1c)
.
a)
c)
Gambar 2.1 Proses Pembuatan Beton Prategang Pratarik. a) Beton ditarik dan diangkur b) Beton dicor dan dibiarkan mengering c) Tedon dilepas, gaya tekan ditransfer ke beton.
2.2.2 Pascatarik
Dengan cetakan yang sudah disediakan, beton dicor di sekeliling selongsong (ducts). Posisi selongsong diatur sesuai dengan bidang momen dari struktur. Biasanya baja tendon tetap berada di dalam selongsong selama pengecoran. Jika beton sudah mencapai kekuatan tertentu, tendon ditarik. Tendon bisa ditarik di satu sisi dan di sisi yang lain diangkur. Atau tendon ditarik di dua sisi dan diangkur secara bersamaan. Beton menjadi tertekan setelah pengangkuran.
Berikut ini adalah langkah pembuatan beton pasca tarik.
Langkah 1.Beton di cor dan tendon diatur sedemikian dalam sheat, sehingga tidak ada lekatan antara beton dan baja. ( Gambar 2.2a)
L a n g k a h 2 . T e n d o n d i t a r i k p a d a s a l a h s a t u / k e d u a u j u n g n y a d a n m e n e k a n b e t o n langsung. ( Gambar 2.2b)
L a n g k a h 3 . S e t e l a h t e n d o n d i t a r i k , k e m u d i a n d i j a n g k a r k a n p a d a u j u n g - u j u n g n y a . P r a t e g a n g d i t r a n s f e r k e b e t o n m e l a l u i j a n g k a r u j u n g t e r s e b u t . J i k a diinginkan baja terekat pada beton, maka langkah selanjutnya adalah grouting (penyuntikan) pasta semen ke dalam sheat. ( Gambar II.2c)
a)
b)
c)
Gambar 2.2 Proses Pembuatan Beton Prategang Pascatarik a) Beton dicor b) tendon ditarik dan gaya Tekan ditransfer c) Tendon diangkur dan di- grouting
2.3 Baja Prategang
Salah satu bahan yang sangat vital dalam desain struktur prategang adalah baja mutu tinggi. Baja mutu tinggi merupakan bahan yang umum untuk menghasilkan gaya prategang dan mensuplai gaya tarik pada beton prategang. Baja prategang dapat berbentuk kawat-kawat tunggal (wire), strands yang terdiri atas beberapa kawat yang dipuntir membentuk elemen tunggal dan batang-batang bermutu tinggi (bar). Ada tiga jenis baja prategang yang umum digunakan, yaitu :
a. Kawat-kawat (wire) relaksasi rendah atau stress-relieved tak berlapisan b. Strands relaksasi rendah atau stress-relieved strands tak berlapisan c. Batang-batang baja mutu tinggi tak berlapisan (bars)
2.4 Kehilangan Untuk Beton Prategang
Prategang efektif pada beton mengalami pengurangan secara berangsur-angsur sejak dari tahap transfer akibat berbagai hal disebut sebagai kehilangan. Pada umumnya sumber kehilangan prategang dapat dibedakan 2 (dua) bagian besar, tergantung dari waktu terjadinya, yaitu kehilangan jangka waktu pendek (immediate losses of prestress) dan kehilangan jangka waktu panjang (long term losses of prestress).
a. Kehilangan jangka waktu pendek (immediate losses of prestress) dapat dibedakan sebagai berikut:
Pada sistem pratarik (pre-tensioning) berupa : Deformasi elastis pada beton.
Pada sistem pasca tarik (post-tensioning) berupa :
Deformasi elastis pada beton jika tendon ditegangkan (ditarik) secara berurutan. Jika tendon ditarik secara bersamaan, maka kehilangan akibat deformasi elastis beton tidak akan terjadi.
Gesekan dalam saluran tendon disebabkan oleh :
Gesekan fisis yang normal terjadi antara dua benda yang bergeser, dalam hal ini tendon yang bergerak terhadap dinding saluran yang diam, terutama pada bagian lengkung.
Melendutnya letak saluran tendon (tidak tepatnya tracee saluran), biasanya disebut dengan ”Wobble-effect”.
Adanya karat (korosi) pada tendon dan dinding saluran tendon yang terbuat dari baja.
Kemungkinan adanya spesi beton yang masuk (bocor) dalam saluran tendon.
Kebersihan saluran.
Pergelinciran angker (anchorage slip).
b. Kehilangan jangka waktu panjang (long term losses of prestress).
Baik pada sistem pre-tensioning ataupun sistem post-tensioning, kehilangan prategang jaga panjang berupa :
Susut (shrinkage) pada beton.
Susut beton merupakan kontraksi beton pada pengeringan. Susut beton pada prategang disebabkan oleh kehilangan kelembaban secara bertahap yang mengakibatkan perubahan volume. Susut pengeringan tergantung pada tipe dan kuantitas agregat, kelembaban relatif , perbandingan air/ semen dalam campuran, dan waktu pemaparan. Susut (shrinkage) pada beton disebabkan oleh beberapa hal, antara lain :
Hilangnya air dari beton karena mengeras Pemadatan kurang sempurna
Perubahan temperatur
Komposisi adukan kurang sempurna Sifat-sifat fisis dari bahan penyusun beton
Bila menderita tekanan, maka beton akan menyusut dan memendek akibat adanya sifat-sifat di atas.
Rangkak (creep) pada beton.
Kehilangan prategang akibat rangkak beton adalah meregangnya/memendeknya beton tanpa adanya pertambahan tegangan. Rangkak pada beton disebabkan oleh beberapa hal, antara lain :
a. Sifat bahan dasar, seperti komposisi dan kehalusan semen, kualitas adukan dan kandungan mineral dalam agregat
b. Rasio air terhadap jumlah semen atau kadar air c. Suhu pada proses pengerasan
d. Kelembaban selama penggunaan e. Umur beton pada saat beban bekerja f. Lama pembebanan
g. Nilai tegangan
h. Nilai perbandingan luas permukaan dan volume komponen struktur Nilai slump
Relaksasi (relaxation) pada baja.
Untuk lebih jelasnya lagi berikut ini kehilangan akan diuraikan di dalam tabel. Tabel 2.3 Kehilangan Pada Beton Prategang
No Pratarik Pascatarik
1
Deformasi elastis beton Tidak ada kehilangan akibat deformasi elastis kalau semua kawatditarik secara bersamaan. Kalau kawat-kawat ditarik secara berurutan, akan terdapat kehilangan prategang akibat deformasi elastic beton
2
Relaksasi tegangan pada baja Relaksasi tegangan pada baja
3 Penyusutan beton Penyusutan beton
4 Rangkak Beton Rangkak Beton
5 Gesekan
2.5 Istilah Komponen Baja Pada Beton Prategang
Dalam perencanaan beton prategang perlu dikeahui beberapa istilah yang sangat penting dan berpengaruh besar terhadap perencanaan.
Tendon merupakan suatu unsur yang direntangkan dan dipakai dalam strukur beton untuk memberi prategang pada beton tersebut. Pada umumnya kawat, batang kabel atau strand yang terbuat dari baja berkekuatan tarik tinggi dipakai sebagai tendon,
Gambar 2.4 Diagram Tegangan-Regangan
Angkur merupakan suatu alat umumnya dipakai untuk memungkinkan tendon memberikan dan memelihara prategang pada beton.
Baja Sebagai Tendon Pada Beton Prategang
2.6 Struktur Membran Dengan Konsep Prategang Pada Konsruksi Atap
Membran adalah struktur permukaan fleksibel tipis yang memikul beban dengan mengalami terutama tegangan tarik. Gelembung sabun adalah contoh klasik yang dapat dipakai untuk mengilustrasikan apakah struktur membran itu dan bagaimanakah prilakunya. Struktur membran cenderung dapat menyesuaikan diri dengan cara struktur tersebut dibebani. Selain itu, struktur ini sangat peka terhadap efek aero dinamika dari angin, efek ini dapat menyebabkan terjadinya flittering (getaran). Dengan demikian, membran yang digunakan pada gedung harus distabilkan dengan cara tertentu hingga bentuknya dapat tetap dipertahankan pada saat memikul berbagai kondisi pembebanan. Salah satu cara penstabilan struktur membran ini adalah dengan menggunakan prategang pada permukaan membran. Hal ini dapat dilakukan baik dengan memberikan
gaya eksternal yang menarik membran maupun dengan menggunakan tekanan internal apabila membrannya berbentuk volume tertutup.
(a) (b)
Gambar 2.5 Struktur Membran a) Membran yang diberi gaya prategang dengan menggunakan jacking b) Membran yang diberi gaya prategang dengan menggunakan tekanan udara
2.6.1 Atap Dengan Desain Struktur Pneumatis ( Stuktur Cangkang )
Pada struktur membran struktur pneumatis sering digunakan dalam konstruksi. Salah Satu dalam analisis dan perencanaan pada struktur ini adalah dengan memperhatikan pembebanan yang terjadi pada struktur tersebut. Beban merata akibat angin, berat sendiri, dan akibat beban lain contohnya hujan akan bertumpu dan arahnya ke bawah yaitu disalurkan terhadap balok ring atau balok tepi yang akan didesain. Sementara itu gaya-gaya dalam bidang-bidang pada suatu membran yang ditimbulkan olek tekanan internal bergantung pada dimensi dan bentuk geometris membran selain juga pada besar tekanan internal yang ada.
Adanya dua kumpulan gaya pada arah yang saling tegak lurus didalam permukaan cangkang berperilaku seperti struktur plat dua arah. Gaya geser yang bekerja diantara jalur-jalur plat yang bersebelahan pada struktur plat planar mempunyai kontribusi dalam memberikan kapasitas pikul beban plat. Hal yang sama juga terjadi pada struktur cangkang. Adanya dua karakteristik inilah, yaitu adanya gaya geser dan dua kumpulan gaya aksial, yang membedakan perilaku struktur cangkang dan perilaku struktur yang dibentuk dari pelengkung yang dirotasikan terhadap satu titik hingga didapat bentuk seperti cangkang.
Ada dua (2) gaya yang sangat mempengaruhi struktur pneumatis yaitu gaya meridional dan gaya melingkar (hoop forces) yang berarah tegak lurus dengan gaya meridional. Gaya melingkar menahan jalur meridional dari gerakan kearah keluar bidang yang cenderung terjadi untuk kondisi pembebanan sebagian ( lentur pada pelengkung terjadi disertai gerakan). Pada cangkang tekanan yang diberikan oleh gaya-gaya melingkar tidak menyebabkan timbulnya momen lentur dalam arah meridional (juga dalam arah melingkar ). Dengan demikian, cangkang dapat memikul variasi beban cukup dengan tegangan-tegangan dalam bidang.
Cangkang adalah struktur yang unik. Cangkang dapat disebut bekerja secara funicular untuk banyak jenis beban yang berbeda meskipun bentuknya tidak benar-benar funicular.Bentuk funicular untuk pelengkung yang memikul beban terbagi rata adalah parabolic. Cangkang berbentuk segmen bola (tidak parabolik) dapat juga memikul beban dengan gaya-gaya dalam bidang. Gaya meridional pada cangkang yang mengalami beban vertikal penuh selalu adalah gaya tekan . Sedangkan gaya melingkar dapat berupa tarik maupun tekan, bergantung pada lokasi cangkang yang ditinjau. Tinjauan disain utama pada cangkang putar (shell of revolution) adalah masalah
ditumpuannya atau ditepi-tepinya. Sama halnya dengan penggunaan batang pengikat pada pelengkung (untuk menahan gaya horizontal), kita juga harus melakukan cara-cara khusus untuk mengatasi gaya tendangan horizontal yang diasosiasikan dengan gaya dalam bidang ditepi bawah cangkang.
Pada kubah , misalnya sistem penyokong melingkar perlu digunakan. Alternatif lain adalah menggunakan cincin lingkaran yang disebut cincin tarik, di dasar kubah sehingga dapat menahan komponen keluar dari gaya meridional. Karena gaya yang disebut terakhir ini selalu tekan, maka komponen horizontal selalu berarah keluar. Karena itulah cincin containment (sering disebut balok tepi) selalu mengalami gaya tarik. Seandainya pada puncak cangkang terdapat lubang, maka komponen gaya meridional di dasar cangkang akan berarah kedalam sehingga gaya pada cincin adalah gaya tekan. Lubang pada permukaan cangkang seperti disebutkan di atas mungkin saja ada, tetapi sebaiknya dihindari karena hal ini mengganggu kontinuitas juga mengurangi efisiensi permukaan cangkang. Apabila memang harus ada lubang, cangkang harus secara khusus diperkuat ditepi lubang tersebut. Masalah lain pada cangkang pada derajat kelengkungannya.
Berikut sekilas gambaran rumusan desain cangkang pneumatis (cangkang bola).
2.6.2 Analisis Gaya Pada Struktur Pneumatis ( Stuktur Cangkang )
a) Gaya-gaya Meridional
Gaya meridional merupakan gaya tekan dalam bidang yang terjadi pada potongan horizontal yang didefinisikan dengan ϕ .
b) Gaya-gaya Melingkar
Gaya-gaya melingkar (hoop forces), yang biasa disebut NӨ dan dinyatakan sebagai gaya per satuan panjang, dapat diperoleh dengan meninjau keseimbangan dalam arah transversal.
c) Distribusi Gaya
Distribusi gaya melingkar dan meridional dapat diperoleh dengan memplot persamaan kedua gaya tersebut. Jelas terlihat bahwa gaya meridional selalu bersifat tekan, sementara gaya melingkar mengalami transisi pada sudut 5149’ diukur dari garis vertikal. Potongan cangkang di atas batas ini selalu mengalami tekan, sedangkan di bawahnya dapat timbul tarik dalam arah melingkar. Tegangan-tegangan tersebut selalu relatif kecil
Gambar 2.6 Gaya Melingkar dan Gaya Meridional. Gaya melingkar adalah tekan di daerah atas segmen bola dan tarik di daerah bawah sedangkan gaya meridional selalu tekan.
d) Gaya Terpusat
Beban terpusat harus dihindari pada struktur cangkang dengan menganalisis gaya-gaya meridional yang ditimbulkan oleh beban tersebut Ekspresi umum
yang telah diperoleh pada rumusan Nϕ = W/2πR sin2 ϕ, di mana W adalah beban total berarah ke bawah. Untuk cangkang yang memikul beban terpusat P, rumusan ini menjadi Nϕ = P/2𝜋𝜋R sin2
Banyak faktor yang harus ditinjau dalam desain cangkang selain yang telah dibahas di atas. Salah satu faktor kritis itu adalah keharusan menjamin bahwa cangkang tidak akan mengalami tekuk. Seperti telah disebutkan, masalah ini adalah masalah kestabilan. Apabila kelengkungan permukaan cangkang relatif datar, maka dapat terjadi tekuk snap-through atau tekuk lokal, Sebagaimana yang terjadi pada kolom panjang, ketidakstabilan dapat terjadi pada taraf tegangan rendah. Hal ini dapat dicegah dengan menggunakan permukaan yang berkelengkungan tajam. Keharusan menggunakan kelengkungan tajam ini tentu saja menyebabkan kita tidak dapat menggunakan cangkang berprofil rendah dan berbentang besar (cangkang dengan kelengkungan kecil). Masalah ini juga terjadi pada cangkang yang terbuat dari elemen-elemen linear kaku (misalnya kubah geodesik). Biasanya beban angin bukan merupakan masalah kritis dalam desain struktur cangkang. Beban gempa, yang juga berarah lateral seperti beban angin, dapat menimbulkan masalah serius dalam desain. Apabila ada beban tersebut, kita harus berhati-hati dalam mendesain kondisi tumpuan cangkang.
ϕ . Apabila beban terpusat tersebut bekerja pada 𝜙𝜙= 0 (puncak cangkang), maka tegangan tepat di bawah beban itu menjadi tak hingga (untuk 𝜙𝜙 = 0, maka sin 𝜙𝜙 = 0 dan N ϕ = ∞ ). Jelas hal ini dapat menyebabkan terjadinya keruntuhan apabila permukaan cangkang tidak dapat memberikan tahanan momen dan beban tersebut memang benar-benar terpusat. Dalam segala hal, sebaiknya beban terpusat dihindari pada struktur.
