STUDI PERILAKU TORSI MURNI BALOK TINGGI-T HYBRID BETON NORMAL DAN RINGAN DENGAN BUKAAN
PADA BADAN
DISERTASI
Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dari
Institut Teknologi Bandung
Oleh
ADE LISANTONO NIM : 35099028
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2004
ABSTRAK DISERTASI
Dalam pembangunan gedung bertingkat beton bertulang, biasanya jaringan utilitas dan pemipaan dilewatkan ruangan tak terpakai di atas langit-langit atau plafon. Oleh karena alasan untuk menghemat ruangan antar tingkat, seringkali dibutuhkan bukaan melintang pada balok untuk melewatkan jaringan utilitas dan pemipaan. Penghematan tersebut akan meminimalkan tinggi kolom, sehingga pada akhirnya akan menghasilkan penghematan biaya bahan dan konstruksi.
Pada daerah rawan gempa, gedung-gedung bertingkat harus dirancang terhadap beban gempa. Salah satu pilihan untuk mereduksi pengaruh gempa terhadap gedung adalah dengan mereduksi massa gedung. Selama gaya-gaya gempa yang bekerja pada gedung adalah gaya-gaya inersia, maka pengurangan massa gedung juga akan mengurangi intensitasnya. Dengan demikian, bahan yang lebih ringan lebih disukai untuk bahan konstruksi gedung. Biasanya, lantai merupakan prioritas pertama yang bahannya diganti dari beton normal menjadi beton ringan. Dalam praktek, lantai dicor langsung di atas balok, sehingga membentuk balok-T hybrid dimana sayapnya terbuat dari beton ringan dan badannya terbuat dari beton normal. Dengan demikian penampang hybrid beton ringan dan normal harus diperhitungkan dalam perancangan balok.
Penelitian ini mempelajari perilaku torsi murni balok tinggi-T hybrid beton normal dan ringan dengan bukaan pada badan. Penelitian tersebut terdiri atas pengujian secara eksperimental, studi analisis serta studi numerik. Studi eksperimental telah dilakukan untuk mengetahui pengaruh lokasi dan dimensi bukaan terhadap perilaku torsi balok tinggi-T hybrid beton normal dan ringan. Sembilan spesimen balok telah diuji terhadap beban torsi murni. Hasilnya menunjukkan bahwa lokasi bukaan tidak mempengaruhi perilaku torsi murni balok, selama diameter bukaan lebih kecil atau sama dengan 0,4h dimana h adalah tinggi balok. Hasil eksperimental juga menunjukkan bahwa dimensi bukaan secara signifikan akan berpengaruh terhadap sudut kemiringan retak dan kapasitas torsi balok, apabila diameter bukaannya lebih besar dari 0,2h.
Studi analisis dilakukan untuk memprediksi perilaku torsi balok tinggi-T hybrid beton normal dan ringan dengan bukaan pada badan. Studi ini terdiri dari dua bagian. Pertama, memodifikasi persamaan yang sudah ada di pustaka untuk memprediksi torsi retak dan sudut puntir balok pada saat retak pertama. Kedua, menambahkan beberapa persamaan kedalam Softened Truss Model untuk memprediksi kapasitas torsi dan sudut puntir selama riwayat pembebanan. Berdasarkan Softened Truss Model dan teori Bredt, telah diperoleh persamaan yang menggambarkan hubungan antara strut tekan beton ringan dan normal.
Berdasarkan sudut kemiringan retak hasil eksperimen dan persamaan kurvatur beton ringan dan normal, telah pula diperoleh persamaan yang menunjukkan hubungan diagram regangan pada beton ringan dan normal. Hasil analisis menunjukkan bahwa prediksi kapasitas torsi pada saat retak pertama dan ultimate mendekati hasil eksperimen, terkecuali untuk balok dengan diameter bukaan 300 mm oleh karena prediksi sudut puntimya dua kali lebih besar dari hasil eksperimen. Dengan demikian, basil studi analisis ini tidak direkomendasikan untuk balok dengan diameter bukaan lebih besar dari 0,4h.
Studi numerik dengan menggunakan metoda elemen hingga juga dilakukan dalam penelitian ini. Dua subroutine telah dibuat dan ditambahkan pada Finite Element Analysis Program (FEAP) untuk memodelkan nonlinearitas material beton. Subroutine yang pertama adalah UCONST.F yang berfungsi sebagai interface serta pemasukan data parameter konstitutifnya. Subroutine yang kedua adalah UMODEL.F yang berfungsi sebagai model konstitutifnya. Elemen hexahedral delapan titik simpul dan elemen rangka batang ruang digunakan dalam studi ini. Smeared crack dan perfect bond diasumsikan dalam pemodelannya. Hasilnya menunjukkan bahwa prediksi kurva torsi-sudut puntirnya lebih kaku dari pada h asil eksperimen. Hal tersebut kemungkinan disebabkan oleh asumsi perfect bond antara tulangan dan beton. Namun setelah memasukkan adanya Faktor Penyesuai Kekakuan (Stiffness Adjustment Factor) didalam perhitungannya, maka prediksi kurva torsi-sudut puntirnya memberikan hasil yang baik, karena mendekati dengan hasil eksperimen.
ABSTRACT OF DISSERTATION
In construction of reinforced concrete high rise building, usually utility ducts and pipes are accommodated within the dead space above the false ceiling. In order to save headroom, it is often required to provide a transverse opening passing through beams. This saves headroom would minimize story height, and results in saving in material and construction cost.
In a region with high seismicity, high rise building should be designed to resist earthquake forces. One of many option to reduce the earthquake effect on building is by reducing the building mass. Since earthquake forces acting on building as an inertia forces, a reduction of building mass will also reduce their intensity. Therefore, a lighter material such as light weight concrete is favored for building construction material. Usually, floor is the first priority for replacing from normal weight concrete to light weight concrete. In practice, slabs are cast-in-place on the top of the beams, forming a hybrid T-beam which the flanges and the web section cast of light weight concrete and normal weight concrete, respectively. Therefore, hybrid section of light weight concrete flanges and normal weight concrete web should be taken into design consideration.
This research studies on the torsional behavior of reinforced concrete hybrid deep T-beams with opening. The research consists of experimental, analysis, and numerical studies. The experimental study was carried out to investigate the influence of location and dimension of opening on the torsional behavior of reinforced concrete hybrid deep T-beams. Nine specimens were tested under pure torsion. The results show that the location of opening does not affect the torsional capacity of the beams, since the opening diameter is less and equal to 0.4h where h is the depth of the beam. The experiment results also show that the dimension of opening will significantly affect the cracking angles and the torsional capacity of the beams when the opening diameter is greater than 0.2h.
The analytical study was conducted for predicting the torsional behavior of reinforced concrete hybrid deep T-beams with opening. The study consists of two parts. Firstly, modifying of available equation in literature for determining the cracking torsion and the angles of twist of the beam at first cracking. Secondly, adding several equations into the Softened Truss Model for predicting the torsional capacity and angles of twist throughout the loading history. Based on Softened Truss Model and Bredt's Theory, a new equation was invented to show the relationship between compression strut of light weight concrete and normal weight concrete. Based on the experimental results of cracking angles and curvature equation of light weight concrete and normal weight concrete, a new equation was also invented to show the relationship between strain diagram of light weight concrete and normal weight concrete. The analytical results show that the torsional capacity at first crack as well as at ultimate are closed to the experimental result, except for the beam with opening diameter of 300 mm due to the prediction of the angles of twist is more than twice of the experimental results. Therefore, the results of the analytical study is not recommended for the beam with opening diameter greater than 0.4h.
Numerical study by using finite element methods was also conducted in this research. Two subroutines were made and added into the Finite Element Analysis Program (FEAP) for modeling the nonlinear material of concrete. The first subroutine was UCONST.F as interface and input of parameter model. The second subroutine was UMODEL.F as constitutive model. Hexahedral 8 nodes element and space bar element were used in this study. Smeared crack and perfect bond were assumed for modeling crack and bond. The results show that the predicted torsion-angles of twist curves are stiffer than the experimental results. This is probably due to assumption of perfect bond between steel and concrete. However, after taking into account the Stiffness Adjustment Factor, the results show that the predicted torsion-angles of twist curves give good agreement with the experimental results.
