STUDI NUMERIK DAN KAJIAN EKSPERIMENTAL PERILAKU
BESI BETON SEBAGAI ANGKUR PENGHUBUNG GESER
AKIBAT GESER MURNI PADA BETON MUTU RENDAH
TESIS
Oleh
SHEILA HANI
117016010/TS
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
STUDI NUMERIK DAN KAJIAN EKSPERIMENTAL PERILAKU
BESI BETON SEBAGAI ANGKUR PENGHUBUNG GESER
AKIBAT GESER MURNI PADA BETON MUTU RENDAH
T E S I S
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik
dalam Program Studi Teknik Sipil
Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
Oleh
SHEILA HANI
117016010/TS
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
Judul Tesis : STUDI NUMERIK DAN KAJIAN
EKSPERIMENTAL PERILAKU BESI
B E T O N S E B A G A I A N G K U R
PENGHUBUNG GESER AKIBAT GESER MURNI PADA BETON MUTU RENDAH
Nama Mahasiswa : Sheila Hani
Nomor Pokok : 117016010
Program : Teknik Sipil
Menyetujui:
Komisi Pembimbing
(Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan) (Ir. Sanci Barus, MT)
Ketua Anggota
Ketua Program Studi Dekan
Telah diuji pada
Tanggal 30 Januari 2014
PANITIA PENGUJI TESIS
KETUA : Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan
ANGGOTA : Ir. Sanci Barus, MT
Dr. Ing. Hotma Panggabean Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT Ir. Rudi Iskandar, MT
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis “Studi Numerik Dan Kajian Eksperimental Perilaku Besi Beton Sebagai Angkur Penghubung Geser Akibat Geser Murni Pada Beton Mutu Rendah” adalah karya saya dan belum pernah diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam tesis ini dan dicantumkan dalam daftar pustaka.
Medan, 30 Januari 2014 Sheila Hani
ABSTRAK
Suatu proses untuk memperbaiki atau merenovasi struktur yang sudah ada merupakan arti dari perkuatan (retrofitting) yang mana banyak digunakan oleh engineer belakangan ini dibandingkan harus menghancurkan struktur lama dan membangun struktur yang baru.
Banyak metode yang dapat dilakukan dalam proses perkuatan, salah satunya yang berhubungan dengan tesis ini adalah metode penambahan material baja pada kolom beton eksisting menggunakan angkur sebagai penghubung geser. Penggunaan angkur sangat luas sehingga banyak produsen angkur memproduksi angkur dalam berbagai tipe. Dalam tesis ini, dilakukan peninjauan terhadap 3 buah benda uji dengan mutu beton fc 21.15 Mpa (K175) dan kedalaman angkur hef 90 mm menggunakan besi beton dengan variasi jarak antar angkur masing – masing 5D, 8D dan 12D.
Angkur yang digunakan adalah tipe adhesive anchor dengan diberikan beban push out test secara berangsur – angsur hingga mencapai kekuatan maksimum alat jack yaitu 20 Ton. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa beton mutu rendah akan menghasilkan deformasi dan keretakan yang lebih besar daripada beton mutu tinggi. Selain itu terjadi penurunan yang tidak seragam antara angkur dibagian beton sebelah kiri dengan kanan. Pada ketiga benda uji, deformasi terbesar terjadi pada Sampel 1 yang memiliki jarak yang lebih rapat, yaitu sebesar 12.27 mm, Sampel 2 sebesar 12.04 mm dan Sampel 3 sebesar 10.87 mm. Untuk angkur dalam satu beton juga terjadi ketidakseragaman penurunan. Sedangkan untuk angkur dalam satu baris kebawah, deformasi terbesar terjadi pada angkur paling atas dan mengecil semakin ke bawah, dengan persentase penurunan pada Sampel 1 sebesar 0.86% dan 1.711%, untuk Sampel 2 sebesar 2.42% dan 5.09% serta untuk Sampel 3 sebesar 7.27% dan 14.54%. Secara visual terlihat perbedaan keretakan disekitar angkur dimana pada Sampel 1 kerusakan lebih jelas terlihat dari Sampel 2 dan Sampel 3. Hasil pengujian dari ketiga sampel menunjukkan bahwa Sampel 3 dengan jarak angkur paling besar menghasilkan kemampuan menahan geser yang lebih besar, yaitu 16.25 kN, Sampel 1 sebesar 10 kN dan Sampel 2 sebesar 13.33 kN. Dimana kekuatan geser rata-rata hasil eksperimen lebih kecil dari kekuatan geser menurut persamaan ETAG-001 yaitu sebesar 20.71 kN. Kata kunci: perkuatan, angkur, kegagalan beton, push out test, deformasi angkur, ketahanan geser
ABSTRACT
A process to reconstruct an existing construction is a meaning of retrofitting, which is used by many engineers nowadays rather than to shatter the old one and build the new one.
There are many methods in retrofitting, one method that related into this thesis is an additional steel material onto existing concrete column using anchor as a shear connector. Anchorage usage is very wide so that many anchor manufacturer create various type of anchor. In this thesis investigated 3 sample with concrete quality fc 21.15 Mpa (K-175) and anchorage depth hef 90 mm using reinforce bar with various
space between each anchor, which is 5D, 8D and 12D.
Anchor that used is an adhesive anchor type that given push-out test load slowly until they reached maximum strength of testing equipment 20 Tons. Experiment result show that lower concrete quality provide a bigger deformation and bigger crack than the high. Besides that, a non uniform displacement occured between anchor in the left side and right side. Between the three sample, biggest deformation happened on the 1st sample which has more tightly space, that is 12.27 mm, 2nd sample 12.04 mm and 3rd sample 10.87 mm. For anchor in a concrete, a non uniform displacement also happened. While for anchor in a down row, biggest deformation occured on the upper anchor, and then reduced while getting down, with reduction percentage amount to 0.86% and 1.711%, for 2nd Sample 2.42% and 5.09% and for 3rd Sample 7.27% and 14.54%. Visually shown the difference crack aroud anchor, which on the 1st Sample it looked clearly than 2nd and 3rd . The test result of all sample showed that the 3rd Sample with greater space give a bigger shear strength, that is 16.25 kN. 1st Sample 10 kN,
and 2nd Sample 13.33 kN. Where the experimental shear strength average is smaller than the value of shear strength according to ETAG-001 formula, that is 20.71 kN. Keyword: retrofitting, anchor, concrete failure, push-out test, anchor deformation, shear strength
KATA PENGANTAR
Bismillahirrahmanirrahim. Segala puji dan syukur hanya untuk Allah SWT, karena atas qudrah dan iradahNyalah penulis dapat menyelesaikan tesis ini. Salawat berangkai salam marilah kita kirimkan kepada Nabi Besar SAW, guru umat manusia yang telah membawakan kita dari zaman jahiliyah kepada zaman ilmmiyah.
Tesis ini ditulis sebagai salah satu syarat menyelesaikan perkuliahan pada Program Studi Magister Teknik Sipil Pascasarjana Universitas Sumatera Utara (USU) untuk memperoleh gelar Magister Teknik (MT) dalam pengutamaan (kekhususan) bidang Struktur Bangunan.
Judul tesis ini adalah: “Studi Numerik Dan Kajian Eksperimental Perilaku Besi Beton Sebagai Angkur Penghubung Geser Akibat Geser Murni Pada Beton Mutu Rendah”.
Penulis menyadari bahwa selama penyusunan tesis ini tidak terlepas dari bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu pada kesempatan ini, penulis ingin menyampaikan hormat dan terimakasih yang sebesar – besarnya kepada Bapak Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu. DTM & H. M.Sc. (CTM), Sp.A(K) selaku Rektor Universitas Sumatera Utara, Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku Dekan Fakultas Teknik, Bapak Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE selaku Ketua Program Studi Magister Teknik Sipil dan Dosen Pengajar.
Penulis juga menyampaikan hormat dan terimakasih kepada Bapak Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan dan Bapak Ir. Sanci Barus, MT selaku anggota komisi pembimbing, serta Bapak Dr. Ing. Hotma Panggabean dan Bapak Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT sebagai anggota komisi penguji yang telah memberikan saran yang sangat bermanfaat dalam penyempurnaan tesis ini. Hormat dan terimakasih juga penulis ucapkan kepada seluruh bapak – bapak dosen (staf pengajar) pada Program Studi Magister Teknik Sipil Pascasarjana Universitas Sumatera Utara yang telah membekali penulis dengan ilmu pengetahuan selama menjalani masa perkuliahan dan Bapak Yun Ardi yang telah banyak membantu kelancaran andministrasi selama penulis menempuh perkuliahan hingga selesai.
Teristimewa kepada Ayahanda Ir. Chairuddin Gani Nasution dan Ibunda Ariani Hasibuan serta kedua mertua saya Syaiful Amri dan Nuraini yang selalu memberikan doa dukungan. Untuk suami penulis yang tercinta Freddi Rakasiwi, ST dan anak – anak tersayang Mhd. Hanif Athaillah dan Mhd. Fariz Fadhlurrahman atas semua doa, kesabaran, dukungan dan yang telah menanamkan rasa cinta belajar kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan pendidikan Pascasarjana Universitas Sumatera Utara.
Terima kasih juga penulis ucapkan kepada seluruh rekan – rekan mahasiswa Program Studi Magister Teknik Sipil USU khususnya angkatan 2011 yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu yang telah memberikan bantuan dan dukungan kepada penulis dalam penyusunan penelitian ini baik secara langsung maupun tidak langsung. Sahabat satu kelompok pengujian, Rhini Wulan Dary, Iswandi, A. Benny Noor Hrp, serta adik – adik asisten Laboratorium Beton dan adik – adik mahasiswa S1 Fakultas Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara, yang telah banyak membantu dalam proses pengujian di laboratorium.
Penulis menyadari bahwa penulisan tesis ini masih jauh dari sempurna karena keterbatasan pengetahuan data dan pengalaman, serta keterbatasan referensi yang penulis miliki. Untuk itu penulis mengharapkan saran dan kritik membangun demi perbaikan pada masa-masa mendatang.
Semoga segala kebaikan yang selama ini telah mereka berikan mendapat balasan yang mulia dari Allah SWT. Dan nantinya tugas ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua.
Medan, 30 Januari 2014 Penulis
Sheila Hani 117016010/TS
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
A. DATA PRIBADI
Nama : Sheila Hani
Tempat / Tanggal Lahir : Semarang, 23 Agustus 1987
Alamat : Jln. Perbatasan No. 37 P.B. Darat I, Medan
Email : sheila_hani@yahoo.com
Jenis kelamin : Perempuan
Agama : Islam
B. RIWAYAT PENDIDIKAN
1993 – 1999 : SD Pertiwi, Medan
1999 – 2002 : SMP Sutomo 1, Medan
2002 – 2004 : SMU Sutomo 1, Medan
2004 – 2008 : Universitas Sumatera Utara, Fakultas Teknik, Jurusan Teknik Sipil
2011 – 2014 : Universitas Sumatera Utara, Fakultas Teknik, Program Studi Magister Teknik Sipil,
Konsentrasi Struktur Bangunan
C. RIWAYAT PEKERJAAN
2006 – 2008 : Asisten Dosen pada mata kuliah Struktur Pemrograman Komputer, Fakultas Tenik Sipil USU
2008 – 2009 : Asisten Dosen pada mata kuliah Statika Mekanika Bahan, Fakultas Tenik Sipil USU 2009 – 2009 : PT. Bangun Cipta Kontraktor sebagai
Engineer
2009 – 2010 : Dinas Bina Marga (Pemko Medan) sebagai
Engineer (pegawai honorer)
2011 – 2012 : PT. Era Karya Konstruksi Nusantara sebagai Engineer
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN ... PERNYATAAN ...
ABSTRAK ... i
ABSTRACT ... ii
KATA PENGANTAR ... iii
RIWAYAT HIDUP ... v
DAFTAR ISI ... vi
DAFTAR GAMBAR ... x
DAFTAR TABEL ... xiv
DAFTAR LAMPIRAN ... xv
DAFTAR NOTASI ... xvi
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Permasalahan ... 4 1.3 Tujuan Penelitian ... 5 1.4 Pembatasan Masalah ... 5 1.5 Sistematika Penulisan ... 6
BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Umum ... 7
2.4 Aplikasi Baut Angkur ... 11
2.5 Klasifikasi Baut Angkur Pada Beton ... 11
2.5.1 Baut angkur Cor Di Tempat (Cast-In-Place)... 12
2.5.2 Baut Angkur Dipasang (Post-Installed) ... 12
2.6 Kekuatan Baut Angkur Pada Beton ... 15
2.6.1 Beban Tarik ... 17
2.6.2 Beban Geser ... 17
2.6.3 Ketahanan Terhadap Beban Tarik ... 18
2.6.4 Ketahanan Terhadap Beban Geser ... 20
2.7 Besi Beton ... 24
2.7.1 Definisi dan Komposisi Besi Beton ... 24
2.7.2 Jenis Besi Beton ... 25
2.7.3 Persyaratan Mutu ... 27
2.7.4 Sifat Mekanis ... 28
2.8 Beberapa Penelitian Terdahulu ... 29
BAB III METODOLOGI 3.1 Umum ... 31
3.2 Analisa Numerik ... 31
3.3 Analisa Eksperimental ... 32
3.3.1 Persiapan Benda Uji ... 33
3.3.2 Persiapan Peralatan ... 33
3.3.3 Tahap – tahap Kajian Eksperimental ... 33
3.3.3.1 Uji Tarik Angkur ... 34
3.3.3.2 Perencanaan Jarak Angkur Pada Beton ... 34
3.3.3.4 Perencanaan Angkur Pada Beton ... 35
3.3.3.5 Perencanaan Tegangan Untuk Tiap Elemen Benda Uji ... 37
3.4 Standar Pembebanan Dalam Pengujian Eksperimental ... 38
3.5 Peralatan Yang Digunakan ... 38
3.6 Pembuatan Benda Uji ... 41
3.7 Pelaksanaan Pengujian ... 44
3.8 Hasil Pengujian dan Output Data ... 45
BAB IV ANALISA DATA 4.1 Kajian Numerik ... 47
4.1.1 Properti Material ... 47
4.1.2 Pemodelan Pada Perhitungan Numerik ... 48
4.1.2.1 Input Engineering Data ... 49
4.1.2.2 Disain Geometri ... 52
4.1.2.3 Pengaturan Pemodelan ... 53
4.1.2.4 Hasil Analisis ... 56
4.2 Kajian Eksperimental ... 60
4.2.1 Pengujian Kuat Tekan Beton ... 60
4.2.2 Pengujian Push-Out Test ... 60
4.2.3 Kekuatan Nominal Angkur Dengan Metode Push-Out Test ... 67
4.3 Hasil Analisis Terhadap Kekuatan Geser Nominal Angkur dan Deformasi Yang Terjadi ... 70
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan ... 86 5.2 Saran ... 87
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
No Judul Halaman
1.1 Perkuatan balok kolom dengan penambahan tulangan
yang termasuk dalam perkuatan struktur global ... 2
1.2 Perkuatan struktur beton dengan penambahan luas penampang balok menggunakan profil baja ... 3
1.3 Perkuatan balok kolom dipasang dengan menggunakan angkur... 3
2.1 Alat penyambung komposit yang umum ... 10
2.2 Expansion anchors ... 13
2.3 Undercut drilled bit anchor ... 14
2.4 Undercut drilled hole ... 14
2.5 Tipe keruntuhan angkur pada beton ... 16
2.6 Contoh distribusi beban ketika semua angkur diberi beban geser... 18
2.7 Contoh distribusi beban ketika hanya sebagian angkur yang Mendapat beban geser ... 18
2.8 Contoh luasan aktual AC,N dari kerucut beton yang ideal untuk Letak angkur yang berbeda – beda pada beban geser ... 22
2.9 Angkur yang dibebani oleh beban yang arahnya bersudut ... 23
2.10 Efek grup angkur ... 24
2.11 Besi beton polos SNI 10 mm ... 25
2.12 Besi beton ulir ... 26
3.1 Diagram alur penelitian ... 32
3.2 Kelompok baut angkur pada rangkaian paralel ... 34
3.3 Jarak angkur ke plat baja pada penghubung geser komposit... 35
3.4 Frame baja untuk meletakkan sampel pada saat pengujian ... 38
3.5 Alat jack yang digunakan pada saat pembebanan ... 39
3.6 Dial gauge pengukur penurunan ... 39
3.7 Slab beton yang digunakan sebagai benda uji ... 40
3.8 Baja profil H-Beam 200x200 sebagai benda uji ... 40
3.9 Besi beton sebagai angkur benda uji ... 41
3.10 Benda uji pada sampel 1 ... 42
3.11 Potongan pada sampel 2 ... 43
3.12 Potongan pada sampel 3 ... 44
3.13 Frame baja untuk menempatkan sampel pengujian dan peralatan jack ... 45
3.14 Form pengujian ... 46
4.1 Outline engineering data besi beton pada perhitungan numerik ... ... 50
4.2 Input data dan grafik strain stress pada program perhitungan numerik ... 51
4.3 Outline engineering data baja pada perhitungan numerik ... 51
4.4 Outline engineering data beton pada perhitungan numerik ... 52
4.5 Disain geometri benda uji pada perhitungan numerik ... 53
4.6 Pengaturan kontak pada perhitungan numerik ... 54
4.7 Pemodelan objek setelah di meshing ... 54
4.8 Objek yang dibebani ... 55
4.10 Hasil deformasi pada salah satu sampel dalam
perhitungan numerik... 56
4.11 Grafik Beban–Deformasi pada benda uji (a)Tipe 1, (b) Tipe 2, (c) Tipe3 ... 57
4.12 Grafik tegangan pada ketiga sampel... 58
4.13 Pola retak yang terjadi ... 59
4.14 Pengujian pada sampel 1 ... 61
4.15 Kondisi angkur dan keretakan setelah dibebani ... 62
4.16 Grafik hubungan beban – deformasi pada sampel 1 ... 63
4.17 Penyetingan sampel eksperimen ... 64
4.18 Pembebanan Sampel ... 64
4.19 Pola keretakan yang terjadi di beton sampel 2 ... 64
4.20 Grafik Beban – Deformasi pada Sampel 2 ... 65
4.21 Kondisi angkur dan pola keretakan yang terjadi pada sampel 3 ... 66
4.22 Grafik Beban – Deformasi pada Sampel 3 ... 67
4.23 Grafik Beban maksimum– Deformasi pada Sampel 1 ... 68
4.24 Grafik Beban maksimum– Deformasi pada Sampel 2 ... 68
4.25 Grafik Beban maksimum– Deformasi pada Sampel 3 ... 68
4.26 Grafik Kekuatan Geser Nominal Angkur pada Eksperimen ... 69
4.27 Grafik Kekuatan Geser Nominal Angkur Secara Teoritis dan Eksperimen .,... 74
4.28 Grafik persentase penurunan pada eksperimen dan angkur ... 76
4.29 Perbedaan angkur besi beton ... 76
4.30 Perbandingan retak yang terjadi pada ketiga benda uji ... 80
4.33 Perilaku profil baja ketika dibebani ... 82 4.34 Diagaram tegangan ... 83 4.35 Benda uji yang dibebani secara merata dan
dikunci oleh trackstang ... 84 4.36 Perilaku angkur ketika mengalami pembebanan ... 84 4.37 Ilustrasi perilaku angkur yang dibebani ... 85
DAFTAR TABEL
No. Judul Halaman
2.1 Properti besi beton polos ... 28
2.2 Properti besi beton sirip ... 29
3.1 Data detail pengaturan pemasangan besi beton (rebar)... ... 36
3.2 Kapasitas gaya geser untuk satu baut ... ... 37
4.1 Nilai pertambahan panjang akibat tes tarik ... 48
4.2 Hasil tes tarik besi beton ... 48
4.3 Hasil pengujian kuat tekan beton ... 60
4.4 Gaya geser hasil eksperimental ... 71
4.5 Nilai deformasi pada analisa numerik dan eksperimen ... 76
4.6 Persentase penurunan deformasi pada analisa numerik dan eksperimen ... 76
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Hasil pengujian kokoh tekan beton di laboratorium Lampiran 2 Hasil pengujian tarik di laboratorium
DAFTAR NOTASI
As = Luas penampang baut angkur (mm2)
c1 = Jarak baut angkur ke tepi beton tegak lurus terhadap gaya geser (mm) c2 = Jarak baut angkur ke tepi beton searah terhadap gaya geser (mm) d = Diameter baut angkur (mm)
dnom = Diameter terluar baut angkur (mm) ds = Diameter stud (mm)
Ec = Modulus elastisitas beton (MPa) fck,cube = Kuat desak beton (MPa)
fuk = Kekuatan nominal ultimit karakteristik baja (MPa)
G = Modulus geser (MPa)
hef = Panjang efektif baut angkur (mm)
lf = Panjang efektif baut angkur yang menerima beban geser (mm)
n = Jumlah angkur
NRk,s = Kekuatan nominal angkur terhadap tarik (kN)
, = Daya dukung tarik baut angkur (kN)
Qnv = Kekuatan nominal penghubung geser (kN) Qu = Kekuatan penghubung geser (kN)
Qult = Kekuatan ultimit penghubung geser (kN) s1 = Jarak antar baut angkur sejajar gaya geser (mm) s2 = Jarak antar baut angkur tegak lurus gaya geser (mm)
VRk,s = Kuat geser nominal angkur dalam hal keruntuhan pada angkur (kN)
