ISSN: 1410-7783
Volume 13 Nomor 1, April 2013, 70-82
Perkuatan Geser Pada Kolom Beton Bertulang Berpenampang
Persegi Dengan Metoda
Concrete Jacketing
Shear Strengthening of Rectangular Concrete Column by Using Concrete Jacketing Method
Shanti Wahyuni Megasari
Program Studi Teknik Sipil Universitas Islam Riau Jalan Kaharuddin Nasution 113 Pekanbaru 28284
shantiwahyuni.irfan@yahoo.com
Abstrak
Suatu kolom beton bertulang dapat mengalami kegagalan fungsi karena tidak mampu lagi menahan beban yang bekerja, yang dapat disebabkan karena kejadian alam misalnya gempa bumi. Kerusakan kolom bangunan gedung akibat gempa antara lain disebabkan kekurangmampuan dalam menahan beban geser dan mengikuti simpangan horizontal antar lantai (story drift) yang cukup besar. Kegagalan geser merupakan kerusakan yang sangat berbahaya karena dapat menyebabkan keruntuhan struktur secara tiba-tiba. Sehingga perlu dilakukan perbaikan/perkuatan pada kolom dengan metode yang tepat. Dalam penelitian ini digunakan 1 (satu) kolom asli-KN dan 1 (satu) kolom perkuatan-KP dengan metode penyelubungan beton (concrete jacketing). Benda uji kolom persegi berukuran 150 x 150 mm, dengan tulangan longitudinal 810 serta sengkang 6-120. Kemudian dilakukan perkuatan concrete jacketing dengan pengelupasan selimut beton, penambahan tulangan longitudinal 1012 serta spiral 6-40, dicor kembali sehingga berdiameter 250 mm. Pengujian dengan pemberian beban aksial konstan dan beban lateral siklik hingga kolom mencapai beban runtuh. Berdasarkan hasil pengujian diketahui bahwa metoda perkuatan dapat meningkatkan kekuatan geser secara signifikan sebesar 517,904 % dari kemampuan kolom aslinya. Jika beban lateral hasil pengujian dibandingkan dengan rumusan SNI 03-2847-2002, maka diperoleh nilai yang cukup mendekati hasil pengujian untuk beban gempa siklik yaitu memiliki selisih peningkatan sebesar 16,694 % pada KP. Sehingga dapat dinyatakan bahwa rumusan SNI 03-2847-2002 cukup konservatif. Kolom perkuatan menunjukkan nilai drift ratio yang lebih besar dari peraturan yang disyaratkan oleh ASCE yaitu minimal 1,5%, dengan nilai drift ratio sebesar 3,367% dan lebih besar 82,197% dibandingkan dengan kolom aslinya. Peningkatan kekakuan kolom perkuatan saat beban lateral maksimal sebesar 239,008% dibandingkan dengan kolom aslinya. Hal tersebut di atas menunjukkan bahwa kolom perkuatan yang menggunakan metoda concrete jacketing dengan penambahan tulangan longitudinal serta spiral memberikan kontribusi yang baik terhadap peningkatan kapasitas beban lateral, kapasitas geser, kekakuan serta kolom perkuatan menjadi lebih daktail dengan adanya peningkatan defleksi hampir dua kali kolom asli.
Kata-kata kunci : beban lateral siklik, concrete jacketing, drift ratio, kerusakan geser
Abstract
Reinforced concrete column can experience functional failure where the structure is no longer able to support applied load that caused by natural phenomenon such as earthquake.
The deterioration of building’s column due to earthquake can be caused by the inability of the structure to bear shear force and adjust the high value of horizontal deformation between stories (story drift). Shear failure is a very dangerous since it can cause sudden collapse of the building. To avoid this kind of failure, it is necessary to perform rehabilitation/ reinforcement to the column with appropriate method. There were two specimens used in this research that consisted of one original column-KN and one column with concrete jacketing method-KP.
71
All specimens were two rectangular columns with 150 x 150 mm size, 810 longitudinal reinforce and 6-120 spiral shear reinforce. Concrete jacketing reinforcement was used by abrading the concrete layer and adding 1012 longitudinal reinforce and 6-40 spiral shear reinforce. The columns were then reconcreted in 250 mm diameter. The tests of columns were conducted by applying constant axial load and cyclic lateral load until the column failure. Test results show that the reinforcement method can improve the shear force significantly, which is 517,904 % compare to the capacity of original columns. If the lateral load resulted in the experiment is compared to the formulation in SNI 03-2847-2002, the approximate values to experiment results for cyclic seismic load were obtained with improvement difference as many as 16,694 % for KP. According to these results, it can be concluded that the formulation in SNI 03-2847-2002 is conservative enough. Reinforced column shows better results with drift ratio greater than standard required by ASCE which is minimum 1,5%, the drift ratio is 3,367% and 82,197 % larger than the original column. The results show that strengthening column using concrete jacketing method with the addition of longitudinal and spiral shear reinforcement contributes well to the lateral load capacity, shear capacity, stiffness and strengthening column becomes more ductile with increase deflection almost twice the original column.
Keywords : Cyclic lateral load, concrete jacketing, drift ratio, shear failure
PENDAHULUAN
Indonesia merupakan salah satu negara yang sering mengalami bencana alam berupa gempa bumi. Gempa bumi sering menyebabkan kerusakan pada komponen bangunan baik pada komponen non struktur maupun strukturnya. Kolom merupakan komponen struktur yang berperan penting untuk mendukung beban aksial, momen lentur dan gaya geser. Keruntuhan kolom merupakan keruntuhan yang berbahaya karena dapat berakibat pada keruntuhan seluruh struktur bangunan. Kegagalan geser kolom kemungkinan terjadi pada bangunan lama yang dirancang dengan peraturan lama yang belum memperhatikan terbentuknya sendi-sendi plastis pada daerah tertentu dikarenakan kapasitas geser yang kurang memadai. Dapat juga disebabkan karena perubahan fungsi bangunan atau adanya keinginan owner untuk menaikkan bangunan tersebut. Hal ini tentu saja berbahaya jika tidak diperhatikan secara serius, karena kuat lentur aktual kolom dapat melebihi kuat geser aktualnya, yang mengakibatkan terjadinya keruntuhan geser yang berakibat tiba-tiba (brittle shear failure).
Jika komponen bangunan terutama kolom yang telah rusak geser akan difungsikan lagi, maka perkuatan (strengthening) geser diperlukan agar bangunan mampu menahan beban geser lagi di masa yang akan datang. Biaya untuk perbaikan dan perkuatan struktur bangunan akan lebih murah bila dibandingkan dengan biaya untuk membongkar dan membangun kembali bangunan yang baru, selain itu waktu yang dibutuhkan untuk pekerjaan perbaikan dan perkuatan juga akan lebih singkat dibandingkan dengan waktu yang dibutuhkan untuk pekerjaan pembongkaran dan pembangunan kembali.
72
Perilaku struktur akibat pembebanan diamati pada setiap pembebanan dan kenaikan pembebanan dilakukan secara bertahap sampai terjadi keruntuhan (collapse) pada benda uji tersebut.
Penelitian struktur kolom beton bertulang ini bertujuan untuk :
a) Untuk mengetahui peningkatan kekuatan geser pada kolom beton bertulang sebelum dan sesudah perkuatan.
b) Secara uji experimental untuk mengetahui besar simpangan yang terjadi, drift ratio, kekakuan siklus dan pola kerusakan.
c) Untuk membandingkan kuat geser kolom hasil pengujian di laboratorium dengan rumusan teoritis.
Dalam penelitian ini diharapkan didapat informasi yang bermanfaat untuk meningkatkan kekuatan geser kolom beton bertulang berpenampang persegi dan pada kolom berpenampang bulat dengan metode penyelubungan beton (concrete jacketing) serta sebagai masukan untuk melengkapi metode perkuatan kolom yang belum diatur dalam peraturan SNI 03-2847-2002.
METODE PENELITIAN Perancangan Model
Pada kolom struktur bangunan dilakukan analisis statik dengan hasil akhir dari analisis ini adalah besarnya beban yang diberikan. Analisis struktur dari bangunan 2 (dua) lantai yang ditingkatkan menjadi 4 (empat) lantai didasarkan pada beban gempa statik equivalen diambil dari peraturan gempa Indonesia SNI 03-1726-2002. Beban lateral yang dianggap dominan adalah beban gempa dengan gempa rencana wilayah gempa 3 untuk tanah lunak.
Perancangan dimensi benda uji pada penelitian ini berpedoman pada ketentuan bahwa benda uji diharapkan berperilaku rusak geser, sehingga dalam perancangan lebih diperkuat pada tulangan longitudinal agar tidak terjadi keruntuhan lentur. Pada pemodelan penelitian ini digunakan skala 1 : 2. Perhitungan dimensinya dihitung berdasarkan perencanaan analisa tampang kolom dengan pemberian beban aksial konstan dan beban siklik secara variabel, sehingga diharapkan akan terjadi runtuh geser. Faktor skala untuk pemodelan benda uji dalam penelitian ini berdasarkan pada persyaratan similaritas untuk model beton bertulang (Suhendro, 2000).
Bahan dan Material Penelitian
Material yang digunakan untuk penelitian kolom beton bertulang dengan metode concrete jacketing adalah:
a) Beton, kolom asli dengan menggunakan Ready mix dari PT. Jaya Ready Mix dengan mutu beton fc’= 21,277 MPa dan pada kolom perkuatan dengan menggunakan trial mix design dengan fc’= 30,713 MPa.
b) Baja tulangan, kolom asli menggunakan tulangan longitudinal 10 mm (ulir) dan sengkang 6 mm (polos). Penambahan tulangan kolom perkuatan yaitu 13 mm (ulir) dan spiral 6 mm (polos).
Benda Uji
73
Tabel 1. Data ukuran benda uji kolom
Benda Uji
Tinggi (mm)
Dimensi (mm) Tulangan
Longitudinal
Tulangan
Transversal Concrete Jacketing Asli Perkuatan Asli Perkuatan Sengkang Spiral
KN 700 150 x
150 -
810
(ulir) - 6-120 - -
KP 730 150 x
150 Ø 250
810 (ulir)
1012
(ulir) 6-120 6-40
Beton Normal
a. Setting Up Pengujian
Alat utama adalah hydraulic jack dilengkapi dengan load cell, LVDT serta Data Logger. Setting peralatan pengujian kolom asli dan kolom perkuatan dapat diamati pada Gambar 2.
Ø 12 Polos - 87,5 Ø 12 Polos - 149.75
Ø 10 - 104
3 Ø 10 Ulir 3 Ø 10 Ulir
TAMPAK DEPAN TAMPAK SAMPING
74 Ø 12 Polos - 87,5 Ø 12 Polos - 149.75
Ø 10 - 104
10 Ø 13 Ulir 10 Ø 13 Ulir
TAMPAK DEPAN TAMPAK SAMPING
(b) Kolom Perkuatan
Gambar 1. Benda Uji dan Penulangannya
1 1
2 2 3 3 2
4 4 4 4
5
Gambar 2. Setting Pengujian
Keterangan :
1 : Loading Frame 2 : Hydraulic Jack 3 : Load Cell
75 b. Metode dan Tahapan Pembebanan
Jenis pembebanan adalah beban aksial konstan dan lateral siklik. Tiap siklus terdiri dari 3 kali pembebanan lengkap yaitu beban positif (beban lateral ke atas) dan negatif (beban lateral ke bawah). Pola pembebanan yang dilakukan dalam penelitian dengan dua tahap, yaitu load controlled dan displacement control, seperti terlihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Pola pembebanan (Jiuru, dkk., 1992)
Pada tahap load controlled dilakukan pengamatan terhadap defleksi yang terjadi saat beban telah ditentukan besarnya. Pengamatan defleksi dilakukan pada tiap kelipatan beban 200 kg untuk kolom asli dan 500 kg untuk kolom perkuatan. displacement controlled.
Mulai
Perancangan Model
Persiapan Bahan dan Alat
Pengujian Pendahuluan (Uji Tekan Beton dan Uji Tarik Baja Tulangan)
Pembuatan Benda Uji
Kolom Pembanding (Penampang Persegi)
Kolom Perkuatan (Penampang Bulat) dengan
metoda concrete jacketing
Pengujian Benda Uji (beban aksial konstan &
beban lateral siklik)
Pengumpulan Data
Analisis Data & Pembahasan
Kesimpulan
Selesai
76
Pada tahap ini akan didapatkan displacement ductility factor
yang dipergunakan pada tahap pembebanan kedua. Setelah terjadi leleh pada kolom asli maupun perkuatan, maka akan dilanjutkan dengan tahap Pada setiap penambahan defleksi yang ditetapkan berdasarkan defleksi leleh (Δy), dilakukan pembacaan beban lateral untuk masing-masing siklus. Pengujiandilakukan sampai mencapai beban luluh. Keruntuhan diidentifikasikan dimana beban telah mengalami penurunan sampai 15% dari beban puncak. Secara garis besar jalannya penelitian dapat dilihat pada bagan alir penelitian di gambar 5.
HASIL DAN ANALISIS
Kapasitas Beban Lateral Maksimum
Beban lateral maksimum dihitung berdasarkan hasil rerata beban maksimum pada tiap-tiap siklus pengujian pada arah positif dan negatif. Kapasitas beban lateral pada KN dan KP dicapai pada beban maksimum serta terjadi pada tahap displacement controlled. Kapasitas beban lateral KN dan kolom perkuatan dari hasil pengujian dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Kapasitas beban lateral kolom asli dan perkuatan
Benda
Keterangan : Beban lateral teoritis* dihitung berdasarkan SNI.T-03-2478-1992 dan Jurnal Crawford, dkk (2001) dengan nilai fcc’ dari kuat tekan kolom perkuatan (fcc’ terbesar), sedangkan beban lateral teoritis** dengan nilai fcc’ dari kuat tekan kolom asli (fcc’ terbesar).
Dari hasil pengujian terlihat bahwa terjadi peningkatan beban lateral pada KP sebesar 517,904 % dibandingkan dengan kolom aslinya. Hal ini memperlihatkan bahwa penambahan tulangan longitudinal dan concrete jacketing selain menambah kuat geser kolom juga memberikan pengekangan pada kolom sehingga kuat tekan dan regangan tekan bertambah.Walaupun sebenarnya kapasitas geser pada kolom perkuatan tersebut dapat lebih tinggi lagi apabila tidak terjadi kerusakan pada fondasi, dikarenakan fondasi tidak cukup kuat untuk menahan beban lateral kolom yang telah diperkuat.
Pada Tabel 2 juga memperlihatkan suatu nilai perbandingan kapasitas beban lateral eksperimen dengan hasil perhitungan teoritis didasarkan pada SNI 03-2847-2002. Beban lateral maksimum KP lebih besar 16,694 % dari nilai teoritisnya. Hal ini membuktikan bahwa rumusan geser dalam SNI 03-2847-2002 cukup konservatif (aman) untuk kondisi beban gempa siklik.
Kapasitas Beban Lateral Saat Retak Pertama, Lelah dan Runtuh
77
Sehingga dapat disimpulkan bahwa kolom ini mencapai kondisi runtuh (failure) dimana beban sudah tidak mampu ditingkatkan lagi dan diindikasikan dengan pola keretakan geser diagonal dalam 2 (dua) arah yang cukup banyak dan besar serta retak geser sudah mencapai inti beton. Nilai beban lateral pada berbagai kondisi dapat dilihat pada tabel 3.
Tabel 3. Beban lateral saat retak pertama, leleh, maksimum dan runtuh
Benda Uji
Beban saat retak pertama
(kN)
Beban saat leleh (yield)
(kN)
Beban saat maksimum
(kN)
Beban saat runtuh (failure)
(kN)
KN 6,23 20,05 22,90 19,55
KP 0 102,20 141,50 88,50
Pada tabel 3 terlihat bahwa pada kolom perkuatan terjadi kenaikan beban lateral yang cukup mencolok dikondisi yield sebesar 409,726 % dan dikondisi maksimum sebesar 352,685 % dibandingkan dengan kolom aslinya. Kenaikan kekuatan pada kolom perkuatan disebabkan adanya penambahan dimensi pada penampang beton serta tambahan kekuatan dari tulangan sengkang pada kolom asli.
Gambar 5. Kapasitas Beban Lateral Pengujian Kolom
Drift Ratio
Dari hasil pengujian defleksi maksimum dapat ditentukan nilai drift ratio untuk KN dan KP, yang merupakan perbandingan antara defleksi maksimum terhadap tinggi kolom yaitu sebesar 500 mm. Berdasarkan peraturan yang disyaratkan oleh ASCE (dalam Erlina, 2000) untuk terjadinya keruntuhan kolom pada bangunan gedung yaitu minimal 1,50%. Apabila nilai drift ratio lebih kecil dari 1,50 % maka akan terjadi keruntuhan pada kolom yang menimbulkan keruntuhan gedung secara tiba-tiba. Nilai drift ratio dan kekakuan kolom dapat dilihat pada tabel 4.
78
Tabel 4. Drift ratio dan kekakuan kolom pada kondisi maksimum dan runtuh
Kondisi Benda Uji
Beban Lateral – V (kN)
Defleksi Lateral –
Δ
(mm)
Drift Ratio
Δ / L
(%)
Kekakuan – K K = V / Δ (kN / mm)
Maksimum KN 22,900 9,238 1,848 2,479
KP 141,500 16,837 3,367 8,404
Runtuh KN 19,550 12,950 2,590 1,510
KP 88,500 23,543 4,709 3,759
Drift ratio maksimum pada kolom asli dan kolom perkuatan memperoleh nilai sebesar 1,848 % dan 3,367 %, berarti lebih besar dari 1,50 %. Nilai drift ratio maksimummengalami peningkatan cukup besar, yaitu 82,197 % dibandingkan drift ratio kolom asli. Sehingga dapat disimpulkan bahwa kolom perkuatan memenuhi persyaratan serta kolom bersifat cukup daktail.
Gambar 6. Drift Ratio Pada Benda Uji Kolom Asli dan Kolom Perkuatan
Kekakuan Siklus Kolom (Kc)
Kekakuan kolom merupakan salah satu faktor penting untuk menjaga kolom tetap kaku dan nilai kekakuan merupakan sudut kemiringan dari hubungan antara beban lateral dan defleksi. Nilai kekakuan masing-masing kolom saat mencapai beban lateral maksimum memperlihatkan bahwa kolom perkuatan KP memiliki nilai kekakuan tertinggi yakni sebesar 148,940 % dibandingkan nilai kekakuan rerata kolom asli. Hal ini menunjukkan bahwa perkuatan dengan metoda concrete jacketing dengan penambahan tulangan longitudinal dan tulangan spiral dapat meningkatkan kekakuan kolom.
79
Tabel 5. Kekakuan tiap siklus pada KN dan KP pada kondisi maksimum
Benda
Uji Siklus
Displacement Beban Defleksi Leleh Defleksi Kekakuan Ductility Lateral (yield) Maksimal K = Vmaks masing-masing kolom asli dan kolom perkuatan. Kekakuan KP mencapai nilai tertinggi disertai dengan degradasi kekakuan tiap siklus yang lebih baik dibandingkan dengan kolom asli. Hasil pengujian kekakuan kolom pada kondisi maksimum dapat dilihat pada Gambar 7.
80 Pola Retak Kolom
Dari pengamatan pola retak yang terjadi pada benda uji sebelum perkuatan maupun setelah perkuatan, yang terlihat adalah keruntuhan geser dengan retak yang didominasi retak miring arah diagonal dalam dua arah. Pada awalnya muncul retak dalam arah horizontal yang diindikasi sebagai retak lentur, dengan pertambahan beban muncul retak miring pertama (first crack). Dengan peningkatan beban, retak lentur tersebut berkembang menjadi retak miring atau retak arah diagonal yang berakibat kolom mengalami keruntuhan. Keruntuhan yang terjadi bersifat tiba-tiba sesaat setelah retak miring atau retak diagonal tersebut muncul atau menunjukkan keruntuhan yang brittle atau getas.
Pengamatan yang dilakukan selama pengujian kolom asli didapat bahwa retak diagonal terjadi dengan pola yang sama untuk semua benda uji, sedang kerusakannya mempunyai bentuk yang berbeda. Semua benda uji mengalami spalling pada ujung bawah kolom, kerusakan yang timbul belum sampai melelehkan tulangan gesernya, hal ini terlihat dari kurva hubungan defleksi-beban bahwa kolom termasuk cukup daktail. Pada kolom perkuatan menunjukkan kerusakan miring atau diagonal yang hampir sama polanya. Beban saat spalling bervariasi, secara umum pada kolom perkuatan kerusakan yang timbul setelah first crack. Kerusakan pada kolom perkuatan ini terjadi pada daerah pertemuan antara kolom bagian bawah dan fondasi, sehingga melelehkan tulangan geser sampai angka daktilitas 3,5.
Gambar 8. Pola retak kolom asli KN-1
81 SIMPULAN
(1). Beban lateral maksimum pada kolom asli sebesar 22,90 kN dan 141,50 kN pada kolom perkuatan. Terjadi peningkatan kapasitas beban lateral pada kolom perkuatan sebesar 517,904 % dibandingkan beban lateral kolom asli.
(2). Beban lateral maksimum eksperimen (pengujian) dan teoritis rumusan (SNI 03-2847-2002) pada kolom perkuatan secara berurutan sebesar 141,50 kN dan 121,257 %. Jika beban lateral hasil pengujian dibandingkan dengan rumusan SNI 03-2847-2002, maka diperoleh nilai yang cukup mendekati hasil pengujian untuk beban gempa siklik yaitu memiliki selisih peningkatan sebesar 16,694 % pada kolom perkuatan. Hal ini membuktikan bahwa rumusan geser dalam SNI.T-03-2847-1992 cukup konservatif (aman) untuk kondisi beban gempa siklik.
(3). Perkuatan kolom dengan menggunakan metoda concrete jacketing dengan penambahan tulangan longitudinal serta spiral memberikan kontribusi yang baik terhadap peningkatan kapasitas beban lateral dan kapasitas geser kolom perkuatan meningkat serta kolom perkuatan lebih daktail dengan peningkatan defleksi hampir dua kalinya kolom asli.
(4). Nilai drift ratio yang diperoleh pada kolom asli maupun kolom perkuatan sebesar 1,848 % dan 3,367 %. Nilai tersebut memenuhi persyaratan ASCE (dalam Erlina, 2000)
untuk terjadinya keruntuhan kolom pada bangunan gedung yaitu minimal 1,50%, sehingga tidak akan menyebabkan keruntuhan bangunan secara tiba-tiba. Kolom perkuatan memperoleh nilai drift ratio dengan peningkatan sebesar 82,197 % dibandingkan kolom asli. Dapat dikatakan bahwa kolom perkuatan bersifat lebih daktail dibandingkan kolom asli.
(5). Kekakuan saat beban lateral maksimum pada kolom asli yaitu 12,190 kN/mm dan 26,204 kN/mm pada kolom perkuatan. Terjadi peningkatan kekakuan sebesar 239,008 % pada kolom perkuatan dibandingkan dengan kolom aslinya.
(6). Dari pengamatan pola retak yang terjadi sebelum maupun setelah perkuatan terlihat keruntuhan geser dengan retak yang didominasi retak miring arah diagonal dalam dua arah.
DAFTAR PUSTAKA
Crawford, JE., Malvar, LJ., Morrill, KB., dan Ferritto, JM., 2001, Composite Retrofits To Increase The Blast Resistance Of Reinforced Concrete Buildings, The International Symposium On Interaction Of The Effects Of Munitions With Structure.
Dipohusodo, I., 1996, Struktur Beton Bertulang (Berdasarkan SK SNI T-15-1991-03), Penerbit Gramedia, Jakarta.
Erlina, 2000, Pengaruh Pemakaian Tulangan Spiral Untuk Perbaikan Kolom Beton Penampang Persegi Yang Telah Rusak Oleh Gaya Lateral Pada Kekuatan Geser dan Daktilitas, Tugas Akhir, JTS FT UGM, Yogyakarta.
82
Jiuru, Tang., Chaobin, Hu., Kaijian, Yang. & Yongcheng, Yan., 1992, Seismic Behavior and Shear Strength of Framed Joint Using Steel-Fiber Reinforced Concrete, Journal of Structural Engineering, Vol.118, No.2, February, pp.341-358.
Nawy, G., 1992, Beton Bertulang, Penerbit Eresco, Bandung.
SNI 03-2847-2002, Tata Cara Perhitungan Struktur Beton Untuk Bangunan Gedung, Departemen Pekerjaan Umum, Bandung.
