Prosiding Konferensi Nasional Pascasarjana Teknik Sipil (KNPTS) 2014, 6 November 2014, ISSN 2407-1021
STUDI EKSPERIMENTAL PERILAKU HUBUNGAN PELAT-
KOLOM MENGGUNAKAN DROP PANEL DENGAN SERAT PVA-
ECC TERHADAP BEBAN SIKLIK LATERAL
Asdam Tambusay1, Priyo Suprobo2, dan Faimun3
1Mahasiswa Program Studi Doktor Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Email: asdam.tambusay13@mhs.ce.its.ac.id 2Staf Pengajar, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember,
Email: priyo@ce.its.ac.id
3 Staf Pengajar, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Email: faimun@ce.its.ac.id
ABSTRAK
Penelitian ini dilakukan karena dilatarbelakangi oleh fakta bahwa struktur flat slab memiliki kelemahan yang sangat signifikan dalam menahan beban lateral yang terjadi akibat gempa. Kelemahan pada struktur flat slab adalah kekakuan transversal yang rendah yang menyebabkan deformasi yang berlebihan serta struktur tidak sesuai digunakan sebagai elemen utama penahan beban lateral karena bersifat flexible dibanding beam-column frame dan berisiko terhadap kerusakan getas akibat punching shear karena transfer gaya geser dan momen tak-imbang antara pelat dan kolom. Oleh karena itu, berbagai penelitian dilakukan sebagai upaya peningkatan perilaku struktur khususnya pada daerah hubungan pelat-kolom (joint) sehingga struktur dapat digunakan dengan aman dan kelebihan yang dimiliki jenis struktur ini dapat dimanfaatkan. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis perilaku hubungan pelat-kolom dalam memikul beban siklik lateral yang dikombinasikan dengan beban gravitasi melalui pengujian eksperimental. Material yang digunakan pada penelitian ini adalah beton konvensional pada pelat dan kolom, sedangkan serat PVA-ECC diberikan pada drop panel. Studi eksperimental dilakukan dengan lima buah benda uji berskala 1:2 dari model hubungan pelat-kolom interior yang dirancang dengan ukuran sama dengan detail rasio tulangan lentur/fraksi volume serat PVA-ECC adalah 1.0%, 1.0%/1.0%, 1.0%/1.5%, 1.5%/1.0%, dan 1.5%/1.5% pada kelima benda uji secara berturut-turut. Pemilihan variasi rasio tulangan lentur dan fraksi volume serat PVA-ECC yang berbeda dilakukan untuk mengetahui konfigurasi yang optimum dalam mereduksi punching shear yang terjadi pada penampang kritis hubungan pelat-kolom akibat beban siklik lateral dan beban gravitasi. Beban gravitasi yang diberikan pada struktur berupa akumulasi berat yang diterima struktur hubungan pelat-kolom dengan cara blok beton dikaitkan pada daerah tekan dari penampang pelat, sedangkan beban siklik lateral diberikan dengan bantuan alat uji cyclic loading test dengan metode displacement control, dimana posisi aktuator ditempatkan ditempatkan tegak lurus dengan sisi penampang kolom. Hasil penelitian diharapkan dapat meningkatkan perilaku struktur dalam memikul beban siklik lateral sehingga memiliki kekakuan awal yang baik, degradasi kekakuan yang cukup, disipasi energi yang baik dalam menyerap energi gempa, degradasi kekuatan yang memadai serta daktilitas yang signifikan.
Kata kunci: hubungan pelat-kolom, drop panel, serat PVA-ECC, beban siklik lateral
1. PENDAHULUAN
Slab-column frame atau struktur flat slab merupakan salah satu model konstruksi sistem gedung dengan elemen utama terdiri dari pelat dan kolom. Kelebihan struktur flat slab meliputi desain yang sederhana, fleksibilitas arsitektur, ruang murni dengan tidak adanya elemen struktural balok sehingga konstruksi lebih cepat dan menghemat waktu (Erberik dan Elnashai, 2004). Di samping itu, struktur flat slab memerlukan
tinggi lantai yang lebih rendah sehingga mengurangi efek beban lateral serta peluang penambahan jumlah lantai pada daerah dengan batasan tinggi bangunan yang ketat (Robertson dkk., 2002).
Struktur flat slab tidak sesuai digunakan sebagai elemen utama penahan beban lateral karena bersifat flexible dibanding beam-column frame. Kelemahan struktur flat slab terjadi karena fenomena punching shear akibat transfer gaya geser dan momen tak-imbang antara pelat dan kolom ketika diberi beban siklik lateral (Robertson dkk., 2002, Hueste dkk., 2007). Hal tersebut akan berakibat pada pengurangan daktilitas struktur yang dapat menyebabkan terjadinya keruntuhan getas dari struktur (Pan dan Moehle 1989). Selain itu, akumulasi dari tegangan geser tersebut akan berdampak pada keruntuhan yang progresif (Dovich dan Wight, 2005).
Berdasarkan kelemahan yang dimiliki struktur flat slab, maka SNI 03-1726-2012 membatasi penggunaan struktur flat slab lebih spesifik, yaitu struktur diklasifikasikan sebagai SRPMM (Sistem Rangka Pemikul Momen Menengah) dan jika digunakan sebagai sistem tunggal, maka kategori desain gempa yang sesuai adalah B dan C tidak dibatasi dan D, E dan F tidak diijinkan. Di samping itu, jika digunakan dengan dinding geser khusus, maka kategori desain gempa yang sesuai adalah B dan C tidak dibatasi, D dibatasi dengan tinggi maksimum 48m, dan E dan F dibatasi tinggi maksimum 30m.
Upaya-upaya yang telah dilakukan secara eksperimental untuk meningkatkan perilaku hubungan pelat-kolom pada struktur flat slab telah dilakukan. Robertson dkk. (2002) meneliti hubungan pelat-kolom terhadap beban siklik lateral yang diberi shear reinforcement dengan menggunakan sengkang tertutup, sengkang terbuka, dan shear stud. Gunadi dkk. (2012) melakukan penelitian dengan memodifikasi konfigurasi stud rail pada daerah penampang kritis hubungan pelat-kolom. Qian dan Li (2013) meneliti tentang efek drop panel akibat respon dari struktur flat slab setelah kehilangan kekuatan pada kolom eksterior.
Upaya lain yang dilakukan dalam mengingkatkan perilaku struktur flat slab pada hubungan pelat-kolom adalah dengan penggunaan fiber. McHarg dkk. (2000) meneliti tentang penggunaan serat baja dipadukan dengan detail tulangan pelat di daerah sekitar kolom, di mana penelitian difokuskan terhadap kinerja dari hubungan pelat-kolom.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa peningkatan perilaku belum terjadi secara signifikan terhadap kekakuan dan disipasi energi akibat beban siklik lateral sehingga struktur masih cukup rentan terkena keruntuhan progresif. Oleh karena itu, maka dapat diusulkan bahwa penggunaan beton ECC (Engineered Cementitious Composite) pada drop panel dapat diterapkan untuk meningkatkan perilaku hubungan pelat-kolom pada struktur flat slab. Selain itu, usulan desain baru dengan variasi rasio tulangan lentur dan fraksi volume serat PVA-ECC pada struktur flat slab diperlukan untuk memenuhi klasifikasi kategori yang disyaratkan oleh kategori desain gempa D untuk bangunan tinggi.
2. DASAR TEORI
Hubungan pelat-kolom
Gambar 1 mengilustrasikan daerah hubungan pelat-kolom pada struktur flat slab yang mengalami fenomena punching shear di mana deformasi lateral yang terjadi pada struktur menghasilkan gaya-gaya dalam (moment and shear) di daerah sambungan yang dikombinasikan dengan momen dan gaya geser yang terjadi akibat beban gravitasi (Jirsa, 2009).
A
Pada hubungan pelat-kolom yang menerima transfer gaya geser Vg akibat beban gravitasi pada pelat dan unbalanced moment Mux dan Muy akibat beban lateral, tegangan geser total yang terjadi pada penampang kritis menurut ACI 421.1R-99 adalah
Vg M y vu
c
v u
J (1)
dengan Vg = gaya geser hubungan pelat-kolom akibat beban gravitasi, Mu = unbalanced moment Ac = luas beton pada penampang kritis, x, y = jarak titik terhadap titik berat penampang kritis,
v = merupakan fraksi untuk transfer momen tak-imbang dalam bentuk tegangan geser,
J = properti penampang kritis yang analog dengan momen inersia polar.
Persamaan (1) merupakan tegangan geser total yang terjadi pada penampang kritis, dimana suku pertama pada ruas kanan merupakan tegangan geser yang diakibatkan beban gravitasi dengan nilai yang seragam pada seluruh keliling penampang kritis, suku kedua tegangan geser yang terdistribusi secara linear sesuai dengan jarak titik yang ditinjau (x atau y) ke titik berat penampang kritis (Robertson dkk., 2002).
Berdasarkan desain yang menggunakan drop panel, maka ada hubungan pelat-kolom dibuat tanpa adanya tulangan geser pada pelat, sehingga property penampang J dapat dihitung dengan cara sebagai berikut:
l 3 l l 2 l d 3
J d 6 x y x x (2) 2 6
dengan lx dan ly = panjang sisi penampang kritis, d = tinggi efektif penampang pelat.
Berdasarkan tegangan geser total yang terjadi pada pelat, perhitungan kontrol punching failure harus diperhitungkan sesuai dengan persamaan 3.7.
dengan vc = kuat geser nominal.
vn vc vn vu , = 0.75 (3)
Drop panel pada struktur flat slab
Struktur flat slab dapat diperkuat dengan menggunakan drop panel (FEMA 356). Beberapa penelitian struktur flat slab menggunakan drop panel telah dilakukan baik dengan mengacu standar desain yang telah ditentukan ACI 318-11 maupun dengan memodifikasi dimensi dari drop panel tersebut. Model drop panel yang digunakan dalam desain struktur flat slab dapat dilihat pada gambar 2.
Drop Panel
Gambar 2. Struktur flat slab dengan drop panel
Drop panel berfungsi untuk mengurangi momen negatif di daerah joint pada pelat, meningkatkan kekakuan di pelat yang akan memperkecil deformasi yang terjadi akibat pembebanan (ACI 318-11). Drop panel juga digunakan untuk menebalkan pelat di sekitar kolom (local thickening) pada struktur flat slab di mana drop panel memberikan kekuatan geser yang cukup memadai untuk menghindari punching shear (Sathawane dan Deothale, 2012).
Engineered Cementitious Composite (ECC)
Engineered Cementitious Composite (ECC) yang disebut juga sebagai beton yang dapat ditekuk (bendable concrete) adalah salah satu jenis beton dengan campuran fiber yang kuat dalam menahan tegangan lentur dan tegangan geser (Li, 2002). ECC juga merupakan salah satu dari jenis Ductile Fiber Reinforced Cementitious Composite yang menunjukkan perilaku pseudo strain hardening pada kondisi tarik uniaksial, serta meterial
ini memiliki kapasitas regangan tarik yang tinggi (Kakuma dkk., 2010). Pseudo strain hardening dalam fiber reinforced composites berhubungan dengan fenomena multiple crack yang terjadi pada benda uji dengan material menggunakan serat pada kondisi tarik uniaksial.
Fiber yang digunakan dalam campuran beton ECC adalah Poly-Vinyl Alcohol (PVA). Properties dari PVA- ECC dan proporsi mix design untuk kedua material masing-masing ditunjukkan pada tabel 1 dan 2.
Tabel 1. Properties serat PVA-ECC (Fukuyama dkk., 2000)
Diameter Panjang ElastisitasModulus Kuat Tarik Berat Jenis
40.8 micron 15.0 mm 43.9 GPa 1850 MPa 1.30
Tabel 2. Proporsi campuran bahan dalam fraksi berat (Fukuyama dkk., 2000)
Bahan Semen
Silica
Fume plasticiserSuper- Air Agregat Kasar Agregat Halus
(C) (SF) (SP) (W) (CA) (FA)
(Rasio) SF/C SP/C W/(C+SF) CA/(C+SF) FA/(C+SF)
PVA-ECC 1.00 0.25 0.03 0.45 - 0.40
Beton Normal 1.00 - 0.01 0.46 2.63 2.12
Pada penelitian yang dilakukan oleh Fukuyama dkk. (2000), proses investigasi uji tarik-tekan pada benda uji silinder dilakukan dengan menggunakan beban bolak-balik untuk mengetahui sifat mekanik uniaksial akibat pengaruh serat PVA-ECC. Fraksi volume serat PVA-ECC yang digunakan adalah 1.5%. Berdasarkan kurva hubungan tegangan-regangan pada gambar 3 yang diperoleh dari hasil penelitian menunjukkan terjadi beberapa retak dan strain hardening dengan kapasitas regangan sekitar 1.5% dari tegangannya. Setelah mencapai kapasitas ultimit, penurunan tegangan secara bertahap terjadi dengan peningkatan regangan akibat pecahnya serat PVA. Akan tetapi, perilaku getas dalam kondisi tekan masih terjadi setelah kekuatan maksimum tercapai.
(a) (b)
Gambar 3. Kurva hubungan tegangan-regangan (Fukuyama dkk., 2000) (a) Tarik dan tekan, (b) Fokus pada tarik
Untuk kasus struktur flat slab yang akan diteliti, beberapa modifikasi akan dilakukan terhadap proporsi campuran bahan penyusun betonnya karena disesuaikan dengan kondisi lokal, serta fraksi volume fiber. Di samping itu, metodologi penelitian yang digunakan akan berbeda karena menyesuaikan dengan fasilitas laboratorium Hasil yang akan diperoleh dari investigasi ini adalah nilai kuat tekan dan kurva tegangan- regangan dari PVA-ECC.
3. METODA PENELITIAN
Model Benda Uji Struktur Flat Slab
Benda uji yang difokuskan pada penelitian ini adalah prototipe struktur flat slab untuk gedung bertingkat (multi story) beraturan dengan menggunakan sistem ganda (ACI 318-11). Prototipe disederhanakan menjadi slab-column connection dalam bentuk model dengan skala 1:2 (half scale). Hal ini mengacu pada penelitian
15
00
yang dilakukan oleh Gunadi dkk. (2012). Akan tetapi, karena penelitian yang dilakukan oleh Gunadi dkk. (2012) berbasis pada peningkatan hubungan pelat-kolom menggunakan stud rail, maka perlu dilakukan modifikasi desain menggunakan drop panel, rasio tulangan lentur, dan fraksi volume serat PVA-ECC.
Model benda uji dari struktur flat slab yang akan diteliti dapat dilihat pada gambar 4. Ukuran bentang memanjang dan melintang denah pelat masing-masing adalah 3.0m dan 1.5m, dengan tinggi 1.57m. Tebal pelat yang digunakan adalah 120mm dan tebal drop panel adalah 60mm. Mutu beton dan baja yang digunakan adalah f’c = 50Mpa dan fy = 320Mpa (tulangan pelat), fy = 390Mpa (tulangan longitudinal kolom), fy = 350Mpa (tulangan transversal kolom), sedangkan jenis serat PVA-ECC yang disesuaikan dengan penelitian Fukuyama dkk. (2000).
drop panel A 300 1000 300 500 kolom pelat A pelat kolom 120 300 725 120 525 drop panel 200 300 3000 300 300 3000 300 (a) (b)
Benda Uji
Gambar 4. Model benda uji hubungan pelat-kolom struktur flat slab. (a) Denah benda uji, (b) Section A-A, (satuan dalam mm)
Pengujian eksperimental dilakukan sesuai dengan ruang lingkup/batasan penelitian yang dilakukan. Benda uji yang digunakan terdiri dari lima tipe benda uji di mana salah satu benda uji digunakan sebagai spesimen kontrol sedangkan keempat tipe benda uji yang lain dikembangkan dengan drop panel menggunakan serat PVA-ECC pada daerah drop panel. Di samping itu, variasi rasio tulangan lentur diperhitungkan untuk meningkatkan perilaku hubungan pelat-kolom agar dapat memenuhi persyaratan kriteria struktur tahan gempa (SRPMK) sehingga dapat diterapkan untuk gedung bertingkat pada daerah dengan resiko gempa tinggi.
Benda uji hubungan pelat-kolom interior yang dirancang dengan ukuran sama dengan detail rasio tulangan lentur/fraksi volume serat PVA-ECC adalah 1.0%, 1.0%/1.0%, 1.0%/1.5%, 1.5%/1.0%, dan 1.5%/1.5% pada kelima benda uji secara berturut-turut. Pemilihan variasi rasio tulangan lentur dan fraksi volume serat PVA- ECC yang berbeda dilakukan untuk mengetahui konfigurasi yang optimum dalam mereduksi punching shear yang terjadi pada penampang kritis hubungan pelat-kolom akibat beban siklik lateral dan beban gravitasi.
Beban Gravitasi dan Beban Siklik Lateral
Salah satu beban yang diperhitungkan dalam perancangan benda uji adalah beban gravitasi statis. Beban gravitasi yang dirancang meliputi berat sendiri pelat, superimposed dead load sebagai beban merata pada pelat, dan beban hidup tereduksi sebagai beban merata pada pelat dalam hal ini minimal 25% dari beban hidup yang diambil (SNI 03-1726-2012).
Pengujian model benda uji dengan beban siklis lateral dilakukan dengan mengacu pada ACI 374.1-05. Beban siklis lateral diberikan dalam bentuk displacement control, pada kondisi elastis dan inelastis sampai struktur mengalami kegagalan (failure). Pembebanan dilakukan dengan drift ratio seperti terlihat pada gambar 5.
Set Up Pengujian
Gambar 5. Grafik hubungan siklus dan drift ratio
Secara umum, tipikal set up pengujian cyclic loading test pada struktur flat slab terlihat pada gambar 6. 3
2 7
6 1 6
5
4
Keterangan: (1) Benda Uji, (2) Aktuator, (3) Strong Wall, (4) Strong Floor, (5) Tumpuan Sendi, (6) Rangka 3D Penumpu Roler, (7) Spreader Beam
Gambar 6. Set up pengujian model struktur flat slab
Proses pembebanan siklis dilakukan secara bertahap, beban siklis meningkat tiap kenaikan siklus. Pengujian yang dilakukan didasarkan pada penambahan jumlah siklus beban sampai kondisi benda uji mengalami kegagalan (punching failure). Monitoring yang dilakukan selama pengujian di laboratorium adalah pengecekan pola keretakan (crack pattern) pada saat retak pertama sampai pada struktur mengalami failure.
4. HASIL YANG DIHARAPKAN
Kekakuan Awal
Benda uji harus sudah mencapai kekuatan nominalnya sebelum drift ratio benda uji tersebut melewati nilai yang mewakili batasan simpangan ijin (allowable story drift). Pada design code yang dibahas, hal tersebut dapat diartikan bahwa kekuatan atau gaya lateral yang dihasilkan harus sama dengan atau lebih besar dari kekuatan nominalnya.
Degradasi Kekakuan
Degradasi kekakuan diartikan sebagai secant stiffness, di mana pada akhir pengujian, yaitu cycle ketiga dari drift ratio yang lebih besar dari 3.50%, nilai secant stiffness dari drift -0.0035 ke drift +0.0035 dan sebaliknya tidak lebih kecil dari 0.05 kali nilai kekakuan awal yang dihitung pada kondisi elastis linear.
Degradasi Kekuatan
Nilai gaya lateral punya pada akhir pengujian yaitu pada cycle ketiga dari drift ratio yang lebih besar dari 3.50% tidak boleh kurang dari 75% gaya lateral maksimum pada arah pembebanan yang sama.
Disipasi Energi
Rasio disipasi energi relatif yang dihitung berdasarkan hasil dari cycle ketiga dari batasan drift ratio 0.035 atau 3.50% bernilai sama dengan atau lebih besar dari 1/8.
Daktilitas
Nilai daktilitas simpangann dari struktur tidak boleh kurang dari 4 untuk kondisi fully ductile.
5. DAFTAR PUSTAKA
ACI Committee 374. (2005). Acceptance Criteria for Moment Frames Based on Structural Testing and Commentary (ACI 374.1-05), American Concrete Institute, USA
ACI - ASCE Committee 421. (2008). Guide to Shear Reinforcement for Slabs (ACI 421.1R-08), American Concrete Institute
ACI Committee 318. (2011). Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-11) and Commentary, American Concrete Institute, USA.
American Society of Civil Engineers. (2000) Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings (FEMA 356), American Society of Civil Engineers, USA.
Badan Standarisasi Nasional. (2012). Tata Cara Perencanaan Ketahanan Gempa untuk Struktur Bangunan dan Non Gedung (SNI 03-1726-2012), Badan Standarisasi Nasional, Jakarta
Badan Standarisasi Nasional. (2013). Tata Cara Perhitungan Struktur Beton Untuk Bangunan Gedung (SNI 03-2847-2013), Badan Standarisasi Nasional, Jakarta
Dovich, L. M., & Wight, J. K. (2005). ”Effective Slab Width Model for Seismic Analysis of Flat Slab Frames”, ACI Structural Journal, 102-S88, 868-875
Erberik, M.A & Elnashai, A.S. (2004). “Fragility Analysis of Flat-Slab Structures”, Engineering Structures 26, 937–948
Fukuyama, H., Sato, Y., Li, V.C., Matsuzaki, Y., & Mihashi, H. (2000). “Ductile Engineered Cementitious Composite Elements for Seismic Structural Application”, 12th World Conferences on Earthquake Engineering (WCEE)
Gunadi, R., Budiono, B., Imran, I., & Sofwan, A. (2012). “Studi Eksperimental Perilaku Hubungan Pelat- Kolom terhadap Kombinasi Beban Gravitasi dan Lateral Siklis”, Jurnal Teoritis dan Terapan Bidang Rekayasa Sipil, Vol. 19, No.3, 195-205
Hueste, M.B.D., Browning, J.A., Lapage, A., & Wallace, J.W. (2007). “Seismic Design Criteria for Slab- Column Connections”, ACI Structural Journal, 104-S43, 448-458
Jirsa, J.O. (2009). “Determination of Critical Shear, Moment, and Deformation Interactions For RC Slab- Column Connections”, Structural Engineering, The University of Texas, Austin
Kakuma, K., Marsumoto, T., Hayashikawa, T., & He, X. (2010). “An Analytical Study on the Stress-Strain Relation of PVA-ECC Under Tensile Fatigue, Fracture Mechanics of Concrete and Concrete Structures – High Performance, Fiber Reinforced Concrete, Special Loadings and Structural Applications”, ISBN 978-89-5708-182-2, Korea Concrete Institute
Li, V.C. (2002). “Reflections on the Research and Development of Engineered Cementitious Composites (ECC)”, Proceedings, DFRCC-2002, 1-22, Takayama, Japan
McHarg, P.J., Cook, W.D., Mitchell, D., & Yoon, Y-S. (2000). “Benefits of Concentrated Slab Reinforcement and Steel Fibers on Performance of Slab-Column Connections”, ACI Structural Journal, 97-S24, 225-235.
Pan, A. & Moehle, J.P. (1989). “Lateral Displacement Ductility of Reinforced Concrete Flat Plates”, ACI Structural Journal, 250-258
Qian, K., & Li, B. (2013). “Experimental Study of Drop-Panel Effects on Response of Reinforced Concrete Flat Slabs after Loss of Corner Column”, ACI Structural Journal, 110-S28, 319-330
Robertson, I.N., Kawai, T ., Lee, J., & Enomoto, B. (2002). "Cyclic Testing of Slab-Column Connection with
Shear Reinforcement", ACI StructuralJournal , 99-S62, 605-613
Sathawane, A.A., & Deotale, R.S. (2012). "Analysis and Design of Flat Slab and Grid Slab and Their Cost
Comparison", International Journal of Advanced Technology in Civil Engineering, ISSN: 2231
