Struktur Beton Bertulang

Beton dan Beton Bertulang Beton adalah campuran pasir, kerikil atau batu pecah, semen, dan air. Bahan lain (admixtures) dapat ditambahkan pada campuran beton untuk meningkatkan workability, durability, dan waktu pengerasan. Beton mempunyai kekuatan tekan yang tinggi, dan kekuatan tarik yang rendah. Beton dapat retak karena adanya tegangan tarik akibat beban, susut yang tertahan, atau perubahan temperatur. Beton bertulang adalah kombinasi dari beton dan baja, dimana baja tulangan memberikan kekuatan tarik yang tidak dimiliki beton. Baja tulangan juga dapat memberikan tambahan kekuatan tekan pada struktur beton.

Towers CN Tower, 1975

Cantilever Ganter Bridge, 1980, Swiss

Water Building Dutch Sea Barrier

Komponen Struktur Beton Bertulang

Keuntungan Penggunaan Beton Bertulang untuk Material Struktur Mempunyai kekuatan tekan yang tinggi dibandingkan kebanyakan material lain. Cukup tahan terhadap api dan air. Sangat kaku. Pemeliharaan yang mudah. Umur bangunan yang panjang. Mudah diproduksi, terbuat dari bahan-bahan yang tersedia lokal (batu pecah/kerikil, pasir, dan air), dan sebagian kecil semen dan baja tulangan yang dapat didatangkan dari tempat lain. Dapat digunakan untuk berbagai bentuk elemen struktur (balok, kolom, pelat, cangkang, dll). Ekonomis, terutama untuk struktur pondasi, basement, pier, dll. Tidak memerlukan tenaga kerja dilatih khusus.

Kerugian Penggunaan Beton Bertulang untuk Material Struktur Mempunyai kekuatan tarik yang rendah sehingga memerlukan baja tulangan untuk menahan tarik. Memerlukan cetakan/bekisting serta formwork sampai beton mengeras, yang biayanya bisa cukup tinggi. Struktur umumnya berat karena kekuatan yang rendah per unit berat. Struktur umumnya berdimensi besar karena kekuatan yang rendah per unit volume. Properties dan karakteristik beton bervariasi sesuai dengan proporsi campuran dan proses mixing. Berubah volumenya sejalan dengan waktu (adanya susut dan rangkak).

Mekanisme Struktur Beton dan Beton Bertulang Retak terjadi pada beton karena tidak kuat memikul tegangan tarik Baja tulangan tarik diberikan untuk memikul tegangan tarik pada struktur beton bertulang

Perencanaan Struktur Tujuan Disain: Struktur harus memenuhi kriteria berikut, Sesuai dengan fungsi/kebutuhan Ekonomis Layak secara struktural Pemeliharaan mudah Proses Disain: Definisi kebutuhan dan prioritas Pengembangan konsep sistem struktur Disain elemen-elemen struktur

Prinsip Dasar Disain Kekuatan > beban Berlaku untuk semua gaya dalam, yaitu momen lentur, gaya geser, dan gaya aksial Rn > 1S1 + 2S2 + …  adalah faktor reduksi kekuatan/tahanan, i adalah faktor beban  bervariasi sesuai dengan sifat gaya, Lentur,  = 0.80 Geser dan torsi,  = 0.75 Aksial tarik,  = 0.80 Aksial tekan, dengan tulangan spiral,  = 0.70 Aksial tekan, dengan tulangan lain,  = 0.65

Prinsip Dasar Disain  bervariasi sesuai dengan sifat beban dan peraturan Beban yang umum bekerja: Beban mati atau berat sendiri (D) Beban hidup (L) Beban atap (Lr) Beban hujan (R) Beban gempa (E) Beban angin (W), dll Kombinasi beban yang umum dipakai: U = 1.4D ; U = 1.2D + 1.6L U = 1.2D + L + E, dsb.

Struktur Beton Bertulang

Properties Beton Bertulang Kekuatan tekan Modulus Elastisitas Rasio Poisson Susut (Shrinkage) Rangkak (Creep) Kekuatan tarik Kekuatan geser

Material Beton Hubungan regangan vs waktu

Material Beton Hubungan tegangan-regangan

Material Beton Hubungan kekuatan vs waktu

Kekuatan Tekan (fc’) Tipikal kurva tegangan-regangan beton

Kekuatan Tekan (fc’) Kurva tegangan regangan bersifat linier hingga 1/3 sampai 1/2 dari kekuatan tekan ultimate, setelah itu kurva bersifat non linier Tidak terdapat titik leleh yang jelas, kurva cenderung smooth Kekuatan tekan ultimate tercapai pada regangan sebesar 0.002 Beton hancur pada regangan 0.003 sampai 0.004. Untuk perhitungan, diasumsikan regangan ultimate beton adalah 0.003 Beton mutu rendah lebih daktail dari beton mutu tinggi, yaitu mempunyai regangan yang lebih besar pada saat hancur

Kekuatan Tekan (fc’) Ditentukan berdasarkan tes benda uji silinder beton (ukuran 15 x 30 cm) usia 28 hari Dipengaruhi oleh: Perbandingan air/semen (water/cement ratio) Tipe semen Admixtures/bahan tambahan Agregat Kelembaban pada waktu beton mengeras Temperatur pada waktu beton mengeras Umur beton Kecepatan pembebanan

Modulus Elastisitas, Ec Beberapa definisi: Modulus awal, yaitu slope atau kemiringan kurva tegangan regangan di titik awal kurva Modulus tangen, yaitu slope atau kemiringan di suatu titik pada kurva tegangan regangan, misalkan pada kekuatan 50% dari kekuatan ultimate Nilai Modulus Elastisitas: Ec = wc1.5 (0.043) fc’ (SI Unit) Ec = wc1.5 (33) fc’ (Imperial Unit) Untuk beton normal, wc = 2320 kg/m3 (atau 145 lb/ft3 ): Ec = 4700 fc’ (SI Unit) Ec = 57000 fc’ (Imperial Unit)

Kekuatan Tarik Kekuatan tarik (modulus of rupture): fr = 6M/(bh2) Kekuatan tarik – split test (tensile flexural strength) ft = 2P/(ld)

Susut (Shrinkage) Pada saat adukan beton mengeras, sebagian dari air akan menguap. Akibatnya beton akan menyusut dan retak. Retak dapat mengurangi kekuatan elemen struktur, dan dapat menyebabkan baja tulangan terbuka sehingga rawan terhadap korosi. Susut berlangsung pada waktu yang lama, tetapi 90% terjadi pada tahun pertama. Semakin luas permukaan beton yang terbuka, semakin tinggi tingkat susut yang terjadi. Untuk mengurangi susut: Gunakan air secukupnya pada campuran beton Permukaan beton harus terus dibasahi selama pengeringan berlangsung (curing) Pengecoran elemen besar (plat, dinding, dll) dilangsungkan secara bertahap Gunakan sambungan struktur untuk mengontrol lokasi retak Gunakan tulangan susut Gunakan agregat yang padat dan tidak berongga (porous)

Rangkak (Creep) Pada saat mengalami beban, beton akan terus berdeformasi sejalan dengan waktu. Deformasi tambahan ini disebut dengan rangkak atau plastic flow. Pada saat struktur dibebani, deformasi elastis akan langsung terjadi pada struktur, Jika beban terus bekerja, deformasi akan terus bertambah, hingga deformasi akhir dapat mencapai dua atau tiga kali deformasi elastis. Jika beban dipindahkan, struktur akan kehilangan deformasi elastisnya, tetapi hanya sebagian kecil dari deformasi tambahan/rangkak yang akan hilang. Sekitar 75% dari rangkak terjadi pada tahun pertama.

Beton normal vs Beton ringan

Baja Tulangan Terdiri dari tulangan polos dan tulangan ulir Umumnya kekuatan tarik baja: Tulangan polos: fy = 240 MPa Tulangan ulir: fy = 400 Mpa

Kurva Tegangan-Regangan Baja Tulangan

Ukuran Baja Tulangan

Pembebanan pada Struktur Jenis beban: Beban mati/Dead Loads (DL) : berat sendiri struktur, beban permanen Beban hidup/Live Loads (LL) : berubah besar dan lokasinya Beban lingkungan : gempa (E), angin (W), hujan (R), dll Kombinasi beban ditentukan oleh peraturan, misal: 1.4 D 1.2 D + 1.6 L

Analisis Lentur Balok Beton Bertulang Balok mengalami 3 tahap sebelum runtuh: Sebelum retak (uncracked concrete stage) Setelah retak – tegangan elastis (concrete cracked-elastic stresses stage), Kekuatan ultimate (ultimate strength stage)

Analisis Lentur Balok Beton Bertulang

Analisis Lentur Balok Beton Bertulang

Analisis Lentur Balok Beton Bertulang

Uncracked concrete stage Tegangan tarik beton fc < fr fr = 0.7 fc’ (SI Unit) fr = 7.5 fc’ (US Unit) Dibatasi oleh momen pada saat retak (cracking moment) Mcr Mcr = fr Ig / yt

Contoh 1: Cracking Moment

Contoh 1: Cracking Moment

Concrete Cracked – Elastic Stresses Stage Beton di bawah garis netral (NA) tidak memikul gaya tarik, dan sepenuhnya ditahan oleh baja NA ditentukan dengan prinsip transformed area (n x Ac) Rasio modulus: n = Es/Ec

Contoh 2: Bending Moment for Cracked Concrete

Ultimate Strength Stage Asumsi: Tulangan tarik leleh sebelum beton di daerah tekan hancur Diagram kurva tegangan beton dapat didekati dengan bentuk segi empat

Ultimate Strength Stage Penyederhanaan kurva tegangan beton: US Unit SI Unit

Ultimate Strength Stage Prosedur Analisis: Hitung gaya tarik T = As fy Hitung C = 0.85 fc’ a b, dan dengan T = C, tentukan nilai a Hitung jarak antara T dan C (untuk penampang segi empat, jarak tersebut adalah d – a/2) Tentukan Mn sebagai T atau C dikalikan dengan jarak antara kedua gaya tersebut

Contoh 3: Nominal moment

Keruntuhan Balok Beton Bertulang Tension failure tulangan leleh sebelum beton hancur balok bersifat under-reinforced Compression failure beton hancur sebelum tulangan leleh balok bersifat over-reinforced Balanced failure beton hancur dan tulangan leleh secara bersamaan balok bersifat balanced-reinforced

Keruntuhan Balok Beton Bertulang

Luas Tulangan Minimum Diperlukan untuk mencegah balok runtuh mendadak Berdasarkan peraturan:

Luas Tulangan Balanced b Beton hancur dan tulangan leleh secara bersamaan

Tulangan Tekan/Negatif Tulangan tekan/negatif adalah tulangan yang berada di daerah tekan balok Balok yang mempunyai tulangan tarik dan tekan disebut doubly reinforced beams Momen Nominal:

Contoh 4: Doubly Reinforced Beams SOLUTION

Contoh 4: Doubly Reinforced Beams

Tulangan Transversal/Geser Memikul sebagian gaya geser pada balok Menahan retak geser pada balok Meningkatkan kekuatan dan daktilitas balok

Tulangan Transversal (Stirrup)

Kekuatan Geser Balok Kuat geser nominal: Vn = Vc + Vs Kuat geser beton: Vc = 2 fc’ bw d (US Unit) Vc = (fc’ bw d)/6 (SI Unit) Kuat geser tulangan: Vs = Av fy d/s

Contoh 5: Stirrup

Contoh 5: Stirrup

Perencanaan Balok (Komponen Struktur Lentur) pada SNI

Komponen Struktur Lentur (Balok) Persyaratan Gaya: Gaya aksial tekan terfaktor pada komponen struktur tidak melebihi Persyaratan Geometri: Bentang bersih komponen struktur tidak boleh kurang dari empat kali tinggi efektifnya. Perbandingan lebar terhadap tinggi ≥ 0,3. Lebar penampang haruslah (a) ≥ 250 mm, (b) ≤ lebar kolom ditambah jarak pada tiap sisi kolom yang tidak melebihi tiga perempat tinggi komponen struktur lentur

Persyaratan Tulangan Lentur Jumlah tulangan atas dan bawah tidak boleh kurang dari tulangan minimum atau 1,4bwd/fy, dan rasio tulangan  tidak boleh melebihi 0,025. Harus ada minimum dua batang tulangan atas dan dua batang tulangan bawah yang dipasang secara menerus Kuat lentur positif balok pada muka kolom harus ≥ setengah kuat lentur negatifnya. Kuat lentur negatif dan positif pada setiap penampang di sepanjang bentang harus ≥ seperempat kuat lentur terbesar pada bentang tersebut. Sambungan lewatan pada tulangan lentur harus diberi tulangan spiral atau sengkang tertutup yang mengikat sambungan tersebut. Sambungan lewatan tidak boleh digunakan (a) pada daerah hubungan balok-kolom (b) pada daerah hingga jarak dua kali tinggi balok dari muka kolom, dan (c) pada tempat-tempat yang berdasarkan analisis, memperlihatkan kemungkinan terjadinya leleh lentur akibat perpindahan lateral inelastis struktur rangka

Tulangan Lentur (Longitudinal) Balok

Persyaratan Sambungan Lewatan

Persyaratan Tulangan Transversal Sengkang tertutup harus dipasang: Pada daerah hingga dua kali tinggi balok diukur dari muka tumpuan Di sepanjang daerah dua kali tinggi balok pada kedua sisi dari suatu penampang yang berpotensi membentuk sendi plastis Sengkang tertutup pertama harus dipasang tidak lebih dari 50 mm dari muka tumpuan. Spasi sengkang tertutup tidak boleh melebihi (a) d/4, (b) delapan kali diameter terkecil tulangan memanjang (c) 24 kali diameter batang tulangan sengkang tertutup, dan (d) 300 mm.

Tulangan Transversal Balok (Confinement/Kekangan)

Contoh Sengkang Tertutup yang Dipasang Bertumpuk

Persyaratan Kuat Geser Gaya Rencana Gaya geser rencana Ve harus ditentukan dari peninjauan gaya statik pada bagian komponen struktur antara dua muka tumpuan Tulangan transversal Tulangan transversal harus dirancang untuk memikul geser dengan menganggap Vc = 0 bila: Gaya geser akibat gempa mewakili setengah atau lebih daripada kuat geser perlu maksimum di sepanjang daerah tersebut, dan Gaya aksial tekan terfaktor, termasuk akibat gempa, lebih kecil dari

Perencanaan Geser untuk Balok Momen ujung Mpr didasarkan pada tegangan tarik 1,25 fy

Susut

Susut Efek kelembaban pada susut Efek ketebalan beton pada susut

Rangkak

Rangkak Efek ketebalan beton pada rangkak