BAB II TINJAUAN PUSTAKA A. Umum - repository.ump.ac.idrepository.ump.ac.id/3461/3/Mochammad Gana...

5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

A. Umum

Pada abad ke-19 muncul material baru yang dinamakan dengan baja yang

merupakan logam paduan antara besi dan karbon. Material baja mengandung

kadar karbon yang lebih sedikit daripada besi tuang, dan mulai digunakan dalam

konstruksi-konstruksi berat. Pembuatan baja dalam volume besar dilakukan

pertama kali oleh Sir Henry Bessemer dari Inggris. Sir Henry menerima hak paten

dari pemerintah Inggris pada tahun 1855 atas temuannya tersebut.(Setiawan,

2008)

Balok baja yang dicor dalam beton banyak digunakan sejak awal abad 19

sampai ditemukannya bahan berbobot ringan untuk perlindungan terhadap api

pada 25 tahun terakhir. Beberapa balok seperti ini direncanakan secara komposit,

sedang lainnya tidak. Pada awal dekade 1930, konstruksi jembatan mulai

menggunakan penampang komposit. Sebelum awal dekade 1960, konstruksi

komposit untuk gedung tidak ekonomis. Namun praktek dewasa ini

memanfaatkan aksi komposit pada hampir semua keadaan dimana baja dan beton

saling melekat, baik pada jembatan maupun pada gedung. (Salmon & Johnson,

1995)

Karena struktur komposit melibatkan dua macam material yang berbeda,

maka perhitungan kapasitasnya tidak sesederhana bila struktur bukan komposit.

Karakteristik dan dimensi kedua bahan akan menentukan bagaimana pemilihan

Redesain Balok Dan Kolom..., Mochammad Gana Nuari Prasetyo, Fakultas Teknik UMP, 2016

6

jenis profil dan plat beton yang akan dikomposisikan dan kinerja struktur tersebut

(Suprobo, 2000)

Sistem struktur komposit sendiri terbentuk akibat interaksi antara

komponen struktur baja dan beton yang karakteristik dasar masing-masing bahan

dimanfaatkan secara optimal. Karakteristik penting yang dimiliki oleh struktur

baja adalah kekuatan tinggi, modulus elastilitas tinggi, serta daktilitas tinggi.

Sedangkan karakteristik penting yang dimiliki oleh struktur beton adalah

ketahanan yang baik terhadap api, mudah dibentuk,dan murah.(Dong Keon

Kim,2005)

B. Struktur Komposit

Struktur komposit (Composite) merupakan struktur yang terdiri dari dua

material atau lebih dengan sifat bahan yang berbeda dan membentuk satu kesatuan

sehingga menghasilkan sifat gabungan yang lebih baik. batang komposit terdiri

dari profil baja dan beton yang digabung bersama untuk memikul beban tekan dan

atau lentur. Secara umum struktur kompoasit berupa :

1. Kolom baja terbungkus beton / balok baja terbungkus beton (Gambar

a/d)

2. Kolom baja berisi beton/tiang pancang (Gambar b/c)

3. Balok baja yang menahan slab beton (Gambar e)


7

C. Aksi Komposit

Aksi komposit timbul bila dua batang struktural pemikul beban seperti

konstruksi lantai beton dan balok baja penyanggah disambung secara integral dan

melendut secara satu kesatuan. Besarnya aksi komposit yang timbul bergantung

pada penataan yang dibuat untuk menjamin regangan linear tunggal dari atas pelat

beton sampai muka bawah penampang baja. (Salmon & Johnson, 1995)

Gambar 2.1 Macam-macam struktur komposit

Gambar 2.2 Perbandingan antara balok yang mengalami defleksi dengan

dan tanpa aksi komposit.(Sumber Salmon & Johnson 1995)


8

Untuk memahami konsep kelakuan komposit, pertama tinjaulah balok

yang tidak komposit dalam gambar 2.2.a. pada keadaan ini, jika gesekan antara

pelat dan balok diabaikan, balok dan pelat masing-masing memikul suatu bagian

beban secara terpisah, yang diperjelas dalam gambar 2.3.a. Bila pelat mengalami

deformasi akibat beban vertikal, permukaan bawahnya akan tertarik dan

memanjang; sedang permukaan atas balok tertekan dan memendek. Jadi,

diskontinuitas akan terjadi pada bidang kontak. Karena gesekan diabaikan, maka

hanya gaya dalam vertikal yang bekerja antara pelat dan balok. (Salmon &

Johnson, 1995)

Bila suatu sistem bekerja secara komposit (gambar 2.3.b dan 2.3.c), pelat

dan balok tidak akan tergelincir relatif satu dengan yang lainnya. Gaya horisontal

(geser) timbul dan bekerja pada permukaan bawah pelat sehingga pelat tertekan

dan memendek, dan pada saat yang sama gaya horisontal bekerja di atas

permukaan balok sehingga balok memanjang. (Salmon & Johnson, 1995)

Dengan memperhatikan distribusi regangan yang terjadi bila tidak ada

interaksi antara pelat beton dan balok baja (gambar 2.3.a), terlihat bahwa momen

perlawanan total sama dengan :

ƩM = Mplat + Mbalok

Perhatikan bahwa untuk kasus ini ada dua garis netral; satu di titik berat pelat dan

lainnya di titik berat balok. Pergelinciran horisontal akibat tarikan pada dasar pelat

dan tekanan pada puncak balok juga terjadi. Selanjutnya, tinjaulah keadaan yang

hanya memiliki interaksi parsial, gambar 2.3.b. Garis netral plat lebih dekat ke

balok dan garis netral balok lebih dekat ke pelat. Akibat interaksi parsial,

pergelinciran horisontal sekarang berkurang. Interaksi parsial juga menimbulkan


9

gaya tekan dan tarik parsial C’ dan T’, yakni masing-masing kapasitas maksimum

pelat beton dan balok baja. Momen penahan pada penampang sekarang meningkat

sebesar T’e’ atau C’e’. (Salmon & Johnson, 1995)

Bila interaksi penuh antara pelat dan balok bisa dikembangkan,

pergelinciran tidak terjadi dan diagram regangannya diperlihatkan pada gambar

2.3.c. Pada keadaan ini timbul garis netral gabungan yang terletak di bawah garis

netral pelat dan di atas garis netral balok. Juga, gaya tekan dan tarik (C” dan T”)

lebih besar dari C’ dan T’ yang timbul pada interaksi parsial. Jadi, momen

penahan dari penampang komposit penuh adalah

SM = T "e" atau C"e"

Gambar 2.3 Variasi tegangan pada balok-balok komposit.

(Salmon & Johnson, 1995)


10

D. Balok Komposit

Balok adalah salah satu diantara elemen-elemen struktur yang paling

banyak dijumpai pada setiap struktur. Balok adalah elemen struktur yang memikul

beban yang bekerja tegak lurus dengan sumbu longitudinalnya. Hal ini akan

menyebabkan balok melentur (Spiegel & Limbrunner,1998)

Sebuah balok komposit (composite beam) adalah sebuah balok yang

kekuatannya bergantung pada interaksi mekanis diantara dua atau lebih bahan

(Bowles,1980). Beberapa jenis balok komposit antara lain :

1. Balok komposit penuh

Untuk balok komposit penuh, penghubung geser harus disediakan dalam

jumlah yang memadai sehingga balok mampu mencapai kuat lentur

maksimumnya. Pada penentuan distribusi tegangan elastis, slip antara baja

dan beton dianggap tidak terjadi (SNI 03-1729-2002 Ps.12.2.6).

2. Balok komposit parsial

Pada balok komposit parsial, kekuatan balok dalam memikul lentur

dibatasi oleh kekuatan penghubung geser. Perhitungan elastis untuk balok

seperti ini, seperti pada penentuan defleksi atau tegangan akibat beban

layan, harus mempertimbangkan pengaruh adanya slip antara baja dan

beton (SNI 03-1729-2002 Ps. 12.2.7).

3. Balok baja yang diberi selubung beton

Walaupun tidak diberi angker, balok baja yang diberi selubung beton di

semua permukaannya dianggap bekerja secara komposit dengan beton,

selama hal-hal berikut terpenuhi (SNI 03-1729-2002 Ps.12.2.8)


11

a. Tebal minimum selubung beton yang menyelimuti baja tidak kuang

daripada 50 mm, kecuali yang disebutkan pada butir ke-2 di bawah.

b. Posisi tepi atas balok baja tidak boleh kurang daripada 40 mm di

bawah sisi atas pelat beton dan 50 mm di atas sisi bawah plat.

c. Selubung beton harus diberi kawat jaring atau baja tulangan dengan

jumlah yang memadai untuk menghindari terlepasnya bagian selubung

tersebut pada saat balok memikul beban.

Di era modern saat ini banyak gedung-gedung dengan struktur komposit

baja- beton untuk elemen baloknya menggunakan balok komposit penuh. Balok

komposit penuh ini sendiri mempunyai beberapa tipe, diantaranya balok komposit

dengan pelat beton yang dicor tempat (solid in situ) balok komposit yang

menggunakan precast reinforced concrete planks yang bagian atasnya kemudian

dicor tempat, balok komposit yang penghubung gesernya diberi perkuatan, serta

balok komposit yang diberi bondek (gambar 2.4)

Gambar 2.4 Tipe balok komposit yang diberi bondek


12

1. Kekuatan Balok Komposit dengan Penghubung Geser

a. Kuat lentur positif rencana φbMn, ditentukan sebagai berikut

(LRFD Pasal 12.4.2.1) :

- untuk h

tw≤

1680

√fy

dengan φb = 0,85 dan Mn dihitung berdasarkan distribusi tegangan plastis

pada penampang komposit.

- untuk h

tw>

1680

√fy

dengan φ b = 0,90 dan Mn ditentukan berdasarkan superposisi tegangan-

tegangan elastis yang memperhitungkan pengaruh tumpuan sementara

(perancah).

b. Kuat Lentur negatif rencana b φ .Mn harus dihitung untuk penampang

baja saja, dengan mengikuti ketentuanketentuan pada butir 8 (LRFD Pasal

12.4.2.2).

2. Lebar efektif pelat lantai

- Untuk gelagar interior :

bE ≤ L

4

bE ≤ bo (untuk jarak balok yang sama)

- Untuk gelagar eksterior :

bE ≤ 𝐿

8

bE ≤ bo + (jarak dari pusat balok ke pinggir slab)


13

dimana : L = bentang balok

bo = bentang antar balok

3. Menghitung momen nominal

Perhitungan Mn berdasar distribusi tegangan plastis :

Gambar 2.5 Distribusi tegangan plastis

(Sumber : Charles G. Salmon, 1995)

Menghitung momen nominal ( Mn ) positif

a. Menentukan gaya tekan ( C ) pada beton :

C = 0,85.f’c.tp.beff

Menentukan gaya tarik ( T) pada baja :

T = As.fy

Dipilih nilai yang terkecil dari kedua nilai di atas


14

b. Menentukan tinggi blok tekan effektif :

a = 𝑨𝒔 .𝒇𝒚

𝟎,𝟖𝟓 .𝒇′𝒄.𝒃𝒆𝒇𝒇

c. Kekuatan momen nomimal :

Mn = C.d1 atau T.d1

Bila kekuatan nominal dinyatakan dalam bentuk gaya baja akan diperoleh :

𝑀𝑛 = 𝐴𝑠. 𝑓𝑦 (𝑑

2+ 𝑡𝑠 −

𝑎

2)

Menghitung momen nominal ( Mn ) negatif.

a. Menentukan lokasi gaya tarik pada balok baja

T = n.Ar.fyr

Pyc = As.fy

Gaya pada sayap ; Pf = bf .tf . fy

Gaya pada badan ; 𝑃𝑤 = 𝑃𝑦𝑐−𝑇

2− 𝑝𝑓

𝑎𝑤 = 𝑃𝑤

𝑡𝑤. 𝑓𝑦

b. Menghitung jarak ke centroid

d1 = hr + tb – c

d2 = (𝑃𝑓.0,5.𝑡𝑓)+(𝑃𝑤(𝑡𝑓+0,5.𝑎𝑤𝑒𝑏))

𝑃𝑓+𝑃𝑤

d3 = 𝑑

2

c. Menghitung momen ultimate :

Mn = T(d1 + d2) + Pyc(d3 - d2)


15

Gambar 2.6 Metode transformasi luasan

Perhitungan Mn berdasar distribusi tegangan elastis :

a. Menghitung nilai transformasi beton ke baja

Ec = 4700 . fc' Mpa .......... untuk beton normal.

Es = 200000 Mpa

N = Es

Ec

Btr = beff

n

Atr = btr . ts

b. Menentukan letak garis netral penampang transformasi

(dimomen ke ambang atas)

c. Menghitung momen inersia penampang transformasi


16

d. Menghitung modulus penampang transformasi

yc = GNE

yt = d + ts + hr – GNE

e. Menghitung momen ultimate

Kapasitas momen positif penampang balok komposit penuh

digunakan dari nilai yang terkecil dari :

Mn1 = 0,85 . fc’ . n . Str.c

Mn2 = fy . Str.t

Jadi : Mu ≤ ∅ . Mn

4. Penghubung Geser

Kekuatan penghubung geser jenis paku (LRFD Pasal 12.6.3)

Dimana : rs untuk balok tegak lurus balok

rs untuk balok sejajar balok :

Nr = jumlah stud setiap gelombang

Hs = tinggi stud

Hr = tinggi bondek

Wr = lebar effektif bondek

Asc = Luas penampang shear connector

fu = Tegangan putus penghubung paku/stud


17

Qn = Kuat nominal geser untuk penghubung geser

Jumlah penghubung geser (shear connector) yang yang dibutuhkan yaitu :

5. Kontrol lendutan (Deflection)

Batasan lendutan atau deflection pada biaya telah diatur didalam SNI 03-

1729-2002. Lendutan diperhitungkan berdasarkan hal-hal sebagai berikut :

Lendutan yang besar dapat menyebabkan rusaknya barang-barang atau peralatan

yang didukung oleh balok tersebut. Penampilan dari suatu struktur akan berkurang

nilai estetikanya apabila lendutannya terlalu besar. Lendutan yang terlalu besar

akan menimbulkan rasa tidak nyaman bagi penghuni bangunan. Perhitungan

lendutan pada balok berdasarkan beban kerja yang dipakai di dalam perhitungan

struktur, bukan berdasarkan beban berfaktor. Besar lendutan dapat dihitung

dengan rumus sebagai berikut :

untuk beban terbagi merata

untuk beban terpusat di tengah bentang

E. Kolom Komposit

Kolom komposit tumbuh menjadi bagian penting dalam pengaplikasian

konstruksi komposit yang telah secara luas digunakan dalam beberapa tahun

terakhir ini, terutama pada bangunan bertingkat. Awal mula pengembangan

elemen kolom komposit yaitu dari profil baja berpenampang I yang dibungkus

oleh beton yang tujuan utamanya sebagai pelindung dari api. Ada beberapa tipe


18

dari kolom komposit yang sebagian besar digolongkan ke dalam encased steel

sections (profil baja yang dibungkus beton) dan concrete-filled steel sections

(kolom baja berintikan beton). Untuk tipe encased steel, profil baja berpenampang

I yang dibungkus oleh beton (gambar 2.7) paling sering dijumpai.(Loh Guan Hock

and Fan Sau Cheong,2004)

Gambar 2.7 Penampang kolom komposit

Pada kolom baja berselubung beton (gambar 2.7 a dan b) penambahan

beton dapat menunda terjadinya kegagalan lokal buckling pada profil baja serta

berfungsi sebagai material penahan api, sementara itu material baja disini

berfungsi sebagai penahan beban yang terjadi setelah beton gagal. Sedangkan

untuk kolom baja berintikan beton (gambar 2.7 c dan d) kehadiran material baja

dapat meningkatkan kekuatan dari beton serta beton dapat menghalangi terjadinya

lokal buckling pada baja.

Kolom komposit didefinisikan sebagai “ kolom baja yang dibuat dari

potongan baja giling (rolled) built-up dan di cor di dalam beton struktural atau


19

terbuat dari tabung atau pipa baja dan diisi dengan beton struktural (Salmon &

Johnson, 1995).

Ada dua tipe kolom komposit, yaitu :

• Kolom komposit yang terbuat dari profil baja yang diberi selubung beton di

sekelilingnya (kolom baja berselubung beton).

• Kolom komposit terbuat dari penampang baja berongga (kolom baja berintikan

beton).

Kriteria untuk kolom komposit bagi komponen struktur tekan (SNI 03-1729-2002

Ps.12.3.1) :

Luas penampang profil baja minimal sebesar 4% dari luas penampang komposit

total.

a. Selubung beton untuk penampang komposit yang berintikan baja harus

diberi tulangan baja longitudinal dan tulangan pengekang lateral.

b. Tulangan baja longitudinal harus menerus pada lantai struktur portal,

kecuali untuk tulangan longitudinal yang hanya berfungsi memberi

kekangan pada beton.

c. Jarak antar pengikat lateral tidak boleh melebihi 2/3 dari dimensi terkecil

penampang kolom komposit. Luas minimum penampang tulangan

transversal (atau longitudinal) terpasang. Tebal bersih selimut beton dari

tepi terluar tulangan longitudinal dan transversal minimal sebesar 40 mm;

d. Mutu beton yang digunakan tidak lebih 55 Mpa dan tidak kurang dari 21

Mpa untuk beton normal dan tidak kurang dari 28 Mpa untuk beton ringan.


20

e. Tegangan leleh profil dan tulangan baja yang digunakan untuk perhitungan

kekuatan kolom komposit tidak boleh lebih dari 380 Mpa

Tebal minimum dinding pipa baja atau penampang baja berongga yang diisi beton

adalah 𝑏√𝑓𝑦/3𝐸 untuk setiap sisi selebar b pada penampang persegi dan

𝐷√𝑓𝑦/8𝐸 Untuk penampang bulat yang mempunyai diameter luar D.

1. Kuat rencana kolom komposit

(SNI 03-1729-2002 Ps. 12.3.2)

Kuat rencana kolom komposit yang menumpu beban aksial adalah øc Nn dengan

øc = 0,85

Nn = As fcr dan fcr = 𝑓𝑚𝑦

𝜔

untuk λr ≤ 0,25 maka ω = 1

untuk 0,25 ≤λr ≤ 1,2 maka

untuk λr ≥ 0,25 maka ω =1,25λc2 dengan ,

Keterangan :

As adalah luas penampang beton, mm2

Ar adalah luas penampang tulangan longitudinal, mm2

E adalah modulus elastis baja, MPa

Ec adalah modulus elastisitas beton, MPa

Em adalah modulus elastisitas untuk perhitungan kolom komposit, MPa

fcr adalah tegangan tekan kritis, MPa


21

fy adalah tegangan leleh untuk perhitungan kolom komposit, MPa

fy adalah tegangan leleh profil baja, MPa

fc’ adalah kuat tekan karakteristik beton, MPa

kc adalah faktor panjang efektif kolom

Nn adalah kuat aksial nominal, N

rm adalah jari-jari girasi kolom komposit, mm

λc adalah parameter kelangsingan

øc adalah faktor reduksibeban aksial tekan

ω adalah faktor tekuk

Pada persamaan di atas, c1 , c2 ,dan c3 adalah koefisien yang besarnya

a. Untuk pipa baja yang diisi beton :

c1 = 1 , c2 = 0,85, c3 = 0,4

b. Untuk profil baja yang diberi selubung beton :

c1 = 1 , c2 = 0,85, c3 = 0,4

Kekuatan rencana kolom komposit yang menahan beban kombinasi aksial dan

lentur (LRFD Pasal 7.4.3.3).

dimana :

Nu = Gaya aksial (tarik atau tekan) terfaktor, N

Nn = Kuat nominal penampang, N

∅ = Faktor reduksi kekuatan

∅c = 0,85 (struktur tekan)

∅b = 0,90 (struktur lentur)

Mnx, Mny = Momen lentur nominal penampang komponen struktur

masing-masing terhadap sumbu x dan sumbu y, N.mm


22

Mux , Muy = Momen lentur terfaktor masing-masing terhadap sumbu x

dan sumbu y, N.mm

F. Sambungan

Sambungan terdiri dari komponen sambungan (pelat pengisi, pelat buhul,

pelat pendukung, dan pelat penyambung) dan alat pengencang (baut dan las).

1. Klasifikasi sambungan :

a. Sambungan kaku / Rigid connection adalah sambungan yang dianggap

memiliki kekakuan yang cukup untuk mempertahankan sudut-sudut di

antara komponenkomponen struktur yang akan disambung.

b. Sambungan semi kaku / Semi rigid connection adalah sambungan yang

tidak memiliki kekakuan yang cukup mempertahankan sudut-sudut

diantara komponenkomponen struktur yang disambung, namun harus

dianggap memiliki kapasitas yang cukup untuk memberikan kekangan

yang dapat diukur terhadap perubahan sudutsudut tersebut.

c. Sambungan sendi / Simple connection adalah sambungan yang pada

kedua ujung komponen struktur dianggap bebas momen. Sambungan

sendi harus dapat berubah bentuk agar memberikan rotasi yang

diperlukan pada sanbungan. Sambungan tidak boleh mengakibatkan

momen lentur terhadap komponen struktur yang disambung.


23

2. Perencanaan Sambungan

Kuat rencana setiap komponen tidak boleh kurang dari beban terfaktor

yang dihitung. Perencanaan sambungan harus memenuhi persyaratan (SNI 03-

1729-2002 Ps. 13.1.3) :

a. Gaya dalam yang disalurkan berada dalam keseimbangan dengan gaya-

gaya yang bekerja pada sambungan.

b. Deformasi pada sambungan masih berada dalam batas kemampuan

deformasi sambungan.

c. Sambungan dan komponen yang berdekatan harus mampu memikul gaya-

gaya yang bekerja padanya.

3. Sambungan Baut

Kuat geser φRnv = φ.fv.Ab.m

Kuat tumpu φRnt = φ.(1.8)fy.db.tp

Diambil yang terkecil

Jumlah baut, n =

Kontrol jarak baut :

Jarak tepi minimum : 1.5db (LRFD 13.4.2)

Jarak tepi maksimum : (4tp + 100 mm) atau 200 mm (LRFD

13.4.3)

Jarak minimum antar baut : 3db (LRFD 13.4.1)

Jarak maksimum antar baut : 15tp atau 200 mm (LRFD 13.4.3)

Kontrol Kekuatan Pelat φPn = 0.75× 0.6× fu × Anv

Vu < φPn


24

4. Sambungan Las

Ru ≤ϕRnw

dengan, φ f .Rnw = 0.75× t e × (0.6 × fuw) (las)

φ f .Rnw = 0.75× t e × (0.6 × fu) (bahan dasar)

keterangan : fuw : tegangan tarik putus logam las

fu : tegangan tarik putus bahan dasar

te : tebal efektif las (mm)

(Sumber : SNI 03-1729-2002)

Tabel 2.1 Ukuran Minimum Las Sudut


BAB II TINJAUAN PUSTAKA A. Umum - repository.ump.ac.idrepository.ump.ac.id/3461/3/Mochammad Gana...

Documents

Transcript of BAB II TINJAUAN PUSTAKA A. Umum - repository.ump.ac.idrepository.ump.ac.id/3461/3/Mochammad Gana...