PENGARUH KEKANGAN BETON TERHADAPINTERAKSI GAYA AKSIAL DAN MOMEN ULTIMITPADA KOLOM TUBULAR KOMPOSIT LINGKARAN

DISERTASI

Karya tulis sebagai salah satu syaratuntuk memperoleh gelar Doktor dari

Institut Teknologi Bandung

Oleh

MUSLIKHNIM : 35099036

Program Studi Rekayasa Struktur

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG2005

ABSTRAK

PENGARUH KEKANGAN BETON TERHADAPINTERAKSI GAYA AKSIAL DAN MOMEN ULTIMITPADA KOLOM TUBULAR KOMPOSIT LINGKARAN

Oleh :

MuslikhNIM : 35099036

Pada elemen struktur yang dibebani gaya tekan aksial sangat besar, seperti pada kolombangunan, pemakaian beton kinerja tinggi (high strength concrete) adalah sangat tepat dan akanmemberikan keuntungan yang besar. Walaupun demikian, kolom beton yang dirancang denganbeton kinerja tinggi bersifat lebih getas (brittle), sehingga memiliki tingkat daktilitas yang rendah.Oleh karena itu beton kinerja tinggi dapat dipakai secara aman pada struktur kolom, hanya jikakekurangannya dalam hal rendahnya daktilitas dapat diatasi.

Pemakaian tulangan lateral dalam bentuk sengkang spiral atau sengkang ikat (hoop) untukmengekang beton dapat meningkatkan daktilitas kolom tersebut. Tetapi selimut beton (cover) diluar tulangan lateral ini cenderung terlepas (premature spalling) dari bagian inti beton padabeban aksial tinggi. Selain daripada itu, spalling dapat terjadi karena adanya bidang lemahlongitudinal, yang disebabkan oleh tulangan lateral yang rapat (cage) di antara inti beton danselimut beton. Masalah ini dapat diatasi dengan pemakaian struktur kolom tubular komposit atautabung baja yang diisi beton (concrete-filled steel tubes - CFST), karena kekangan (confinement)langsung diberikan oleh tabung baja dan tidak ada lagi selimut beton. Dengan demikian strukturkolom tubular komposit memberikan solusi yang kompetitif dibandingkan dengan struktur betonbertulang biasa, karena tabung baja mengekang beton sepenuhnya dan berfungsi sebagaitulangan lateral sekaligus longitudinal, di samping berperan sebagai formwork pada saatpengecoran beton.

Akhir-akhir ini jenis struktur kolom tubular komposit makin populer penggunaannya, baik untukgedung bertingkat banyak maupun jembatan bentang panjang. Hal ini sebagian karena sifat-sifattahan gempa yang dimiliki oleh struktur jenis ini, yaitu berupa kekuatan dan daktilitas yang tinggi,maupun kapasitas absorpsi energi yang besar. Keuntungan-keuntungan lain yang diperoleh darijenis struktur ini adalah mudah dan cepatnya pelaksanaan, penghematan bekistirig,kemungkinan pembuatan sambungan standard, dan kemungkinan penggunaan tabung khususuntuk melindungi dari lingkungan korosif. Selain daripada itu, pemakaian beton ringan (lightweight concrete), khususnya juga beton ringan kinerja tinggi (high strength lightweightconcrete) akan menambah

keuntungan, khususnya dari tinjauan ketahanan terhadap gempa. Dengan berkurangnyamassa beton maka gaya inersia akibat percepatan gempa akan berkurang, sehinggakeamanan struktur akan lebih terjamin.

Penelitian mengenai kolom tubular komposit ini ditekankan pada pengaruh kekangan terhadapinteraksi gaya aksial dan momen ultimit. Dalam hal ini digunakan tabung baja dengan tampanglingkaran, dengan parameter yang divariasikan berupa rasio ketebalan (D/t) dan rasiokelangsingan (L/D). Untuk inti beton digunakan beton ringan kinerja tinggi (high strengthlightweight concrete), dengan kuat tekan di atas 41 MPa. Adapun beban yang diterapkanberupa tekan konsentrik dan eksentrik, dengan parameter yang divariasikan berupa rasioeksentrisitas (e/D).

Hasil pengujian kolom tubular komposit dengan beban konsentrik, yang dilakukan baik secaraindividual (inti beton dan tabung baja) maupun secara kesatuan, menunjukkan terjadinyapeningkatan daktilitas yang sangat signifikan akibat kekangan (confinement). Dengandemikian, Iuasan di bawah kurva bebanperpindahan yang menunjukkan besarnya kapasitaspenyerapan energi juga meningkat. Peningkatan kapasitas dukung aksial yang diuji pada kolomtubular komposit dibandingkan jumlah kapasitas komponen-komponennya (inti beton dantabung baja) menunjukkan nilai sebesar 20-40 %. Untuk kolom tubular komposit dengan bebankonsentrik menunjukkan, bahwa beban leleh (yield load) dengan beban puncak (ultimate)hampir sama besar (Py ≈ Pu ), karena kontribusi beton pada struktur kolom tubular komposit.Setelah puncak, kurva mengalami degrading stiffness sekitar 25%, yang kemudian berupaplateau atau sedikit hardening, sehingga residual strength yang ada sekitar 70%.

Efektivitas penggunaan struktur kolom tubular komposit lingkaran, dibandingkan dengan kolomkonvensional menggunakan tulangan longitudinal dan sengkang telah dilakukan. Nampak,bahwa terdapat peningkatan kapasitas kolom tubular komposit dibandingkan dengan kolomkonvensional, yang cukup signifikan pada daerah tekan dan kondisi balanced. Hal inidisebabkan oleh efek kekangan (confinement) yang terjadi pada kolom tubular komposit.

Analisis elemen hingga nonlinier yang dilakukan pada umumnya dapat memprediksi kapasitaskolom tubular komposit, maupun komponenkomponennya (tabung baja dan inti beton), tetapitidak dapat memberikan descending part kurva dan daktilitas sebagaimana yang terjadi padahasil eksperimen.

Kata-kata kunci : kolom tubular komposit lingkaran, kekangan, daktilitas, tabung baja, intibeton, beton ringan kinerja tinggi, gaya aksial, momen, rasio ketebalan,rasio kelangsingan, rasio eksentrisitas, konsentrik, eksentrik, kapasitasdukung, kapasitas absorpsi energi.

ABSTRACT

THE EFFECTS OF CONCRETE CONFINEMENTON THE INTERACTION OF ULTIMATE AXIAL FORCE

AND MOMENT IN CIRCULAR CONCRETE-FILLEDSTEEL TUBES

By:

MuslikhNIM : 35099036

In the case of structural elements being heavily subjected to compression forces, such asbuilding columns, the use of high strength concrete might be very appropriate andadvantageous. However, columns designed with high strength concrete behave more brittle,thus they have lower ductility level. Therefore, high strength concrete could safely be used forstructural columns only if its handicap of relatively low ductility can be overcome.

Using transverse reinforcement in the form of spiral hoops or rectangular ties to confine theconcrete can greatly improve the ductility of concrete. However, the concrete cover tends toseparate prematurely from the concrete core at high axial load. Besides, the spalling couldoccur because of the presence of longitudinal weakness planes caused by the dense steel cagebetween the concrete core and the concrete cover. Such problems can be overcome by usingconcrete-filled steel tubes (CFST); because the concrete core is completely confined by thesteel tubes and no concrete cover outside the tubes are required. As a result, concrete-filledsteel tube structures give competitive solution compared to conventional reinforced concretecolumns, since besides the steel tubes confine the entire concrete core, also they can be usedas both lateral and longitudinal reinforcement as well as formwork during casting of theconcrete.

Recently, the concrete-filled steel tubes structures have become increasingly popular instructural application, either for high-rise buildings or long-span bridges. This is partly due totheir excellent earthquake-resistant properties such as high strength, high ductility, and largeenergy absorption capacity. Other advantages offered by this kind of structures are easy andquick construction, saving formwork, possible use of simple standardized connections, and alsopossible use of special tubes to prevent from corrosive environment. In addition, the use oflightweight concrete, especially high strength lightweight concrete, will give more benefit forseismic consideration in particular. As the concrete masses decrease thus the inertial forcesinduced by earthquake acceleration are decreasing, as a result the structural safety would bemore guaranteed.

This research on concrete-filled steel tubes was emphasized at the effects of confinement onthe interaction of ultimate axial forces and moments. In this case, circular steel tubes wereused with varied parameters consist of thickness ratio (D/t) and slenderness ratio (L/D). For theconcrete core, high strength lightweight concrete was used with compressive strength higherthan 41 MPa. The applied loads consist of concentric and eccentric compressive loads; withvaried parameter was eccentricity ratio (e/D).

Results of the tests showed that for concrete-filled steel tubes with L/D ratio between 2 to 8under concentric loading indicated the significant increase of ductility due to confinement.Accordingly, the area below the load-displacement diagram showing the energy dissipationcapacity also increased. The axial capacity of concrete-filled steel tubes compared to the sumof their component capacities (concrete cores and steel tubes) showed an increase of about20-40 %. For concrete-filled steel tube columns under concentric loading exhibited that theyield and ultimate loads were almost the same (Py ≈ Pu) due to the contribution of concrete inconcrete-filled steel tubes. After reaching the peak, the curves undergo degrading stiffnessabout 25 % followed by plateau or a little hardening with residual strengths about 70%.

The effectiveness use of a circular concrete-filled steel tube compared to a conventionalcolumn with longitudinal and transverse reinforcement was examined. It was revealed, thatthere was significant capacity increase for the concrete-filled steel tube compared to theconventional column, especially in the compression region and the balanced condition. Thismatter because of the confinement effect that occurred in the concrete-filled steel tube.

In general, the nonlinear finite element analysis used in this research showed good results inpredicting the capacity of concrete-filled steel tubes, also for their components (steel tubes andconcrete cores). However, the descending parts of the load-displacement curves and theductilities could not be predicted accurately similar to those of the experiments.

Keywords : circular concrete-filled steel tube, confinement, ductility, steel tube, concrete core,high strength lightweight concrete, axial force, moment, thickness ratio,slenderness ratio, eccentricity ratio, concentric load, eccentric load, load capacity,energy absorption capacity.