STUDI PERILAKU JOIN PELAT-BALOK-KOLOM
BETON BERTULANG AKIBAT BEBAN LATERAL
DENGAN MEMPERHITUNGKAN EFEK P-DELTA
DISERTASI
Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dari
Institut Teknologi Bandung
Oleh
CECILIA LAUW GIOK SWAN NIM : 35094005
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2005
ABSTRAK
STUDI PERILAKU JOIN PELAT-BALOK-KOLOM BETON BERTULANG AKIBAT BEBAN LATERAL DENGAN MEMPERHITUNGKAN EFEK P-DELTA
Oleh
CECILIA LAJTW GIOK SWAN NIM : 35094005
Struktur bangunan yang terletak di wilayah yang berisiko mengalami gempa harus didesain supaya memenuhi kriteria sebagai struktur tahan gempa. Di Indonesia, sistem stmktur gedung yang umum digunakan adalah rangka pemikul momen (RPM), dimana beban horisontal akibat gempa akan dipikul terutama melalui mekanisme lentur. Pada saat gempa RPM hams berperilaku sebagai rangka daktail supaya integritasnya tetap terjaga sehingga bangunan terhidar dari kemungkinan mengalami roboh dengan seketika, karena pada rangka daktail energi gempa yang diterima struktur dipencarkan melalui mekanisme pelelehan akibat momen lentur di sejumlah sendi plastis yang hanya boleh terbentuk di ujung-ujung balok sedikit di luar bidang muka kolom dan di kaki-kaki kolom paling bawah. Perilaku daktail ini hanya dapat dicapai apabila pada saat terbentuknya sendi-sendi plastis join pelat-balok-kolom mampu mentransfer efek beban lateral gempa tanpa kehilangan kekuatan dan kekakuannya. Penelitian eksperimental untuk mempelajari perilaku dari join balok-kolom pada umumnya mengabaikan fungsi pelat lantai. Kesulitan kapasitas peralatan dan setup pengujian juga menyebabkan gaya aksial yang dapat diaplikasikan pada kolom relatif hanya kecil saja. Hal ini pula yang menyebabkan eksperimen join balok-kolom dahulu umumnya dilaksanakan dengan menggerakkan ujung-ujung balok, sedangkan ujung-ujung kolom dikonstruksikan sebagai sendi agar tidak beralih tempat, meskipun pada kolom dapat diberikan gaya aksial. Eksperimen dengan setup semacam ini menyebabkan efek P-delta tidak dapat diperhitungkan.
Pada disertasi ini, penelitian eksperimental untuk mempelajari perilaku histeresis dari join pelat-balok-kolom dua dimensi dilaksanakan untuk satu benda uji join balok-kolom dan empat benda uji join pelat-balok-kolom dengan lebar pelat divariasikan. Pelat dibuat dari beton ringan dan beton normal. Beban lateral yang diberikan berupa beban siklik horisontal di ujung atas kolom sampai mencapai drift kira-kira 5%. Tidak diberikan gaya aksial pada kolom dan beban vertikal pada balok-balok. Empat spesimen dengan pelat dari beton ringan (SBCL) menunjukkan seluruh lebar sayap adalah lebar efektif balok-T, dan memiliki interface yang kuat dan bebas retak antara beton normal badan balok dengan
baton ringan pelat sayap. Untuk spesimen dengan pelat, nilai equivalent viscous damping untuk siklus-siklus ulang tidak pernah kurang dari 5%.
Untuk mempelajari efek lebar dan jenis baton pelat dalam kombinasinya dengan efek P-delta, dilakukan pula penelitian analitikal menggunakan metode elemen hingga (MEH) dengan memasukkan sifat-sifat material baton normal dan baton ringan yang non-linear dan baja tulangan yang bi-linear. Diaplikasikan perangkat lunak Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis (ADINA) ver. 8.1. Untuk setiap benda uji, pada puncak kolom diberi enam tingkat gaya aksial dari nol sampai yang ekivalen dengan 0.533 fc'. Puncak kolom digerakkan lateral ke kanan secara monotonik.
Kesimpulan dari studi analitikal dibagi menjadi efek lebar sayap dan efek P-delta. Untuk lebar sayap sama, kapasitas kolom terhadap gaya lateral semakin kecil apabila gaya aksial kolom semakin besar. Bila sayap balok semakin lebar, untuk gaya aksial kolom yang sama, gaya lateral yang dapat dipikul kolom semakin besar. Untuk tiap nilai lebar sayap, secara teoritis terdapat nilai "gaya aksial kolom kritis absolut" yang menghasilkan nilai "gaya lateral kritis absolut" yang relatif tidak berkurang besarnya meskipun drift semakin besar, dan apabila gaya aksial kolom lebih besar dari "gaya aksial kolom kritis absolut" akan terdapat nilai "drift kritis" dimana gaya lateral yang dapat dipikul kolom mencapai nilai "gaya lateral kritis" yaitu nilai maksimumnya, maka jika gaya aksial kolom lebih besar dari "gaya aksial kolom kritis absolut" terdapat nilai "drift kritis" dimana gaya lateral yang dapat dipikul kolom mencapai nilai "gaya lateral kritis".
Pada join bagian atas, apabila tegangan tekan akibat gaya aksial kolom (P) lebih besar dari tegangan tarik yang timbul akibat kombinasi momen lentur oleh H dan P, maka efek gaya aksial kolom P adalah meningkatkan kekuatan join. Efek P-delta lebih dominan dari pada gaya aksial kolom P apabila memperbesar tegangan tarik yang timbul di sisi kiri kolom, sehingga tegangan tarik ini mampu mengerosi tegangan tekan diagonal (diagonal strut) dari join dan menyebabkan menurunnya kekuatan join. Keruntuhan inti join akan terjadi apabila tegangan tekan diagonal (diagonal strut) pada join bagian atas terputus oleh kombinasi tegangan tarik yang besarnya melampaui tegangan tarik cut-off uniaksial. Penggunaan baton ringan dengan fc' > 30 MPa menunjukkan kekuatan dan daktilitas yang setara dengan baton normal.
Dari hasil disertasi ini, terbuka alur-alur baru untuk penelitian selanjutnya, antara lain : efek gaya aksial kolom pada besarnya bond strength tulangan balok yang melintasi inti join, metode untuk memperkuat join pelat-balok-kolom apabila gaya lateral akibat gempa yang harus dipikul kolom ternyata lebih besar dari nilai "gaya lateral kritis" atau driftnya lebih besar dari nilai "drift kritis", dan berapa batas kekuatan baton ringan yang boleh digunakan sebagai diafragma atau pelat lantai horisontal.
ABSTRACT
ON THE BEHAVIOR OF REINFORCED CONCRETE SLAB-BEAM-COLUMN JOINT DUE TO LATERAL LOAD
AND P-DELTA EFFECT By
CECILIA LAUW GIOK SWAN NIM : 35094005
Building structures in high seismic risk areas should be designed according to earthquake resistant building criteria. The most common building structural systems in Indonesia are moment resisting frames, where seismic lateral load will be resisted mainly by bending mechanisms. During earthquake, moment resisting frames should behave as ductile frames so it can maintain its integrity and avoid sudden collapse of buildings. In moment resisting frames earthquake energy will be dissipated by yielding mechanism due to flexure in a series of plastic hinges allowed to form only at beam ends near column faces and at the lowest column ends. Ductile behavior can only perform if beam-column joints are capable to transfer seismic lateral load effects without losing its strength and stiffness during the forming of plastic hinges.
Experimental test to study the behavior of beam-column joint generally disregard the function of floor slabs. Difficulties in capacity of the equipments and test setup also restrict to applications of relatively small axial loads. These are the general reasons why former beam-column joint experiments were held by displacing beam ends into opposite directions, while column ends were constructed as stationary hinges. Although axial load could be applied at the column P-delta effect can not however be studied using this kind of test setup.
In this dissertation, experimental tests to study hysteretic behavior of two dimensional beam-column joint have been executed for one beam-column joint specimen and four slab-beam-column joint specimens having variable slab widths. Slab were cast using lightweight concrete and normal weight concrete. Cyclic horizontal lateral loads were applied at the column top up to drifts of about 5%. No axial and vertical load were applied at columns and beams. Four slabbeam-column specimens having lightweight slabs (SBCL) performed as T-beams having effective widths. The interface between normal concrete web and lightweight concrete flange was strong and was free from cracks. For repeat cycles, the value of equivalent viscous damping for all four slab-beam-column specimens were never less than 5%.
To study the effect of width and concrete type of the slab in combination with P-delta effect, analytical investigations were carried out applying finite element method considering non-linear properties of normal and lightweight concrete and bi-non-linear properties of reinforcing steel. Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis (ADINA) ver. 8.1. software was used. For each specimen, six different axial load was applied at the top of column from zero to 0.533 fc'. Top of columns were displaced to the right monotonically.
Conclusions from analytical study are divided into the effect of slab width and the effect of P-delta. For equal widths of slab, lateral load capacity of column decreases with increasing axial load of column. For equal axial column loads, lateral load capacity of columns increases with increasing slab width. For certain width of slab, theoretically there exists an' "absolute critical axial column load" producing an "absolute critical lateral load" which stays relatively constant with increasing floor drifts. For column axial loads larger than the "absolute critical axial column load" there exist a "critical drift" point where the lateral load capacity of the column reaches its "critical lateral load", that is its maximum value. If the axial column load is larger than the "absolute critical axial column load", then there is a "critical drift" point where the lateral load capacity of the column reaches its "critical lateral load".
If the compression stress at the upper side of the joint due to axial column load (P) is larger than the tension due to the combined bending of H and P, the axial column load P increases the strength of the joint. The effect of P-delta dominates the effect of the axial load P, if it increases the tension stress at the left side of the column, then it will erode the diagonal compression stress of the diagonal strut of the joint, resulting a decrease in strength of the joint. Failure at the joint core will occur if the diagonal compression stress (diagonal strut) at the upper side of the joint is interrupted by tension stresses exceeding the uniaxial cut-off tension stress. The use of lightweight concrete having fc' > 30 MPa showed comparable strength and ductility with when normal concrete were used.
This study reveals that new fields of study may be pursued, i.e. the effect of axial column load to bond strength of beam rebar passing the joint core, method for strengthening slab-beam-column joint if slab-beam-column lateral load due to earthquake is larger than its "critical lateral load" or the drift is larger than its "critical drift", and what is the required limit strength of lightweight concrete that will be permitted to be used as diaphragms or horizontal floor slabs.
