5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA II.1. Pengertian Kolom Komposit Kolom adalah komponen struktur vertikal yang menyalurkan beban tekan aksial

dengan atau tanpa momen. Dimensi penampang kolom umumnya lebih kecil

dibandingkan dengan tingginya, sedangkan menurut Jensen kolom adalah suatu

batang struktur yang mengalami beban diujung batang dimana garis kerja sejajar

dengan batang tersebut dan umumnya panjangnya 10 kali atau lebih dari

dimensi lateral terkecil. Bila garis kerja beban ujung berimpit dengan sumbu

kolom, maka kolom tersebut dibebani secara aksial kosentris. Bila garis kerja

beban ujung tidak berimpit, maka kolom tersebut dibebani secara eksentris.

Kolom komposit baja-beton adalah kolom yang terbentuk dari material baja dan

beton yang bekerja bersama-sama dalam menahan beban tekan aksial maupun beban

lateral. Pada awal ditemukan, kolom komposit ini direncanakan sebagai konstruksi

baja semata-mata dimana beton hanya berfungsi sebagai selubung pelindung

terhadap bahaya kebakaran dan karat. Hal ini merupakan suatu kemunduran

terhadap perencanaan yang ekonomis, dimana bangunan semakin berat dan

akibatnya biaya pondasi semakin mahal. Pada akhirya, dengan adanya selubung

beton akan memberikan sumbangan yang positif, dimana efek kelangsingan dari

kolom menjadi berkurang, sehingga bahaya tekuk dapat dikurangi juga.

Spesifikasi AISC-LRFD mendefinisikan kolom komposit sebagai kolom baja

yang dibuat dengan cara dirol yang diselimuti dengan beton struktural atau pipa

atau tabung baja yang diisi dengan beton struktural, sedangkan peraturan ACI

mendefenisikan kolom komposit sebagai komponen tekan beton yang diperkuat

secara longitudinal dengan bentuk penampang struktural, pipa atau tabung dengan

atau tanpa tulangan longitudinal. Spesifikasi AISC memberi batasan yang lebih

ketat dibandingkan peraturan ACI, dimana luas penampang baja, pipa atau tabung

minimal 4 persen dari luas penampang kotor kolom, jika dibawah 4 % maka kolom

6

tersebut masuk dalam klasifikasi kolom beton bertulang dan harus direncanakan

sesuai peraturan ACI.

II.2. Karakteristik Material Beton Mutu Tinggi

Beton mutu tinggi sering didefinisikan sebagai beton yang mempunyai kepadatan

dan ketegaran retak yang tinggi. Definisi kuat tekan beton mutu tinggi disetiap

negara berbeda satu sama lain (Diniz & Frangopol (1997)). Di Australia beton

mutu tinggi adalah beton beton yang mempunyai kuat tekan 50 Mpa ke atas,

sedangkan di Eropa beton mutu tinggi mempunyai kuat beton di atas 60 Mpa..

Beton mutu tinggi dapat dibuat dengan menggunakan bahan-bahan yang hampir

sama dengan beton biasa, tetapi dengan memilih mutu bahan dasar yang baik

(pasir, agregat) ditambah dengan bahan aditif tertentu, seperti,fly ash, silica fume

atau super plastisizer, atau bahan-bahan serat lainnya. Penelitian yang diadakan

oleh Munaf dan kawan-kawan berhasil membuat beton dengan kekuatan sebesar

85 MPa dengan jumlah optimum fly ash 15 % dan faktor air semen w/c 0,28.

Hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa fly ash berpengaruh terhadap proses

pencapaian kekuatan dan juga disimpulkan untuk mencapai kekuatan minimal

beton mutu tinggi diperlukan kekuatan batu sebesar 700 kg/cm 2. Definisi beton

mutu tinggi yang terbuat dari bahan-bahan yang hampir sama dengan beton biasa

berdasarkan peraturan ACI adalah beton yang mempunyai batas kuat tekan

sebesar 41 MPa.

Beton mutu tinggi mempunyai prilaku tegangan–regangan terhadap beban

unuaksial yang berbeda jika dibandingkan dengan beton mutu normal. Beton

mutu tinggi menunjukkan perilaku yang lebih getas [Cusson & Paultre(1993),

Ghose (1997), Razvi & Saatcioglu (1999)]. Pada kurva tegangan-regangan,

setelah respon puncak terjadi penurunan tegangan yang relatif lebih cepat pada

beton mutu tinggi dibandingkan dengan beton mutu normal, yang mengakibatkan

beton mutu tinggi mempunyai daktilitas yang lebih rendah.

Perbedaan perilaku tegangan-regangan ini disebabkan oleh perbedaan pada

mekanisme terbentuknya retak. Pada beton mutu normal, retak terjadi pada daerah

7

transisi antara agregat dan pasta, yang menghasilkan permukaan retakan yang

lebih kasar. Permukaan retakan yang kasar ini akan memberikan mekanisme

pelepasan energi secara bertahap selama terjadi keruntuhan. Inilah yang

menyebabkan beton mutu normal lebih daktai, yang terlihat pada gambar II.1,

dimana penurunan tegangan lebih landai dibandingkan dengan penurunan

tegangan beton mutu tinggi.

Pada beton mutu tinggi, retakan dan penjalarannya terjadi pada agregat, yang

menghasilkan permukaan retakan yang relatif lebih halus, sehingga gesekan

antara permukaan retakan menjadi lebih kecil, yang tidak memungkinkan

terjadinya mekanisme untuk melepaskan energi secara bertahap selam terjadi

keruntuhan. Terjadinya retakan agregat ini karena kekuatan ikatan antara unsur-

unsur penyusun beton mutu tinggi relatif sama dengan agregat dan kekutan pasta

semennya, sehingga proses penjalaran retakan akan melalui lintasan yang

membutuhkan energi yang terendah.

Gbr. II.1. Kurva tegangan-regangan beton mutu tinggi dan mutu normal [collins & Mitchell (1991)]

8

Gambar 11.1 memperlihatkan perilaku beton mutu tinggi yang mempunyai grafik

tegangan-regangan yang lebih tinier ebelum puncak dibandingkan dengan beton

normal. Pada beton normal, setelah regangan mencapai 0,3-0,4 dari regangan

puncaknya, perilaku tegangan-regangannya mulai non-linier. Ini disebabkan oleh

mulai terbentuknya retakan pada daerah antara pasta semen dengan agregat. Pada

beton mutu tinggi grafik tegangan-regangan masih linear pada regangan yang

lebih besar dan modulus elastisitas pada beton mutu tinggi juga lebih tinggi

daripada modulus elastisitas beton mutu normal. Sedangkan Poisson ratio pada

beton mutu tinggi lebih rendah daripada Poisson ratio beton mutu normal. Mehta

dan Monteiro (1993) menjelaskan bahwa kekuatan ikatan antar mortar, dan antara

mortar dengan agregat relatif hampir sama jika dibandingkan dengan kekuatan

agregat. Peningkatan kekuatan antar mortar, dan antara mortar dengan agregat ini

akan menghasilkan kekuatan puncak yang lebih tinggi dibandingkan dengan beton

mutu normal.

Fujimoto, Mukai, Nishiyama dan Sakino dalam penelitiannya mencatat bahwa

perlu kehati-hatian ketika beton mutu tinggi dikombinasikan dengan tabung baja

mutu normal, sebab penggunaan beton mutu tinggi dapat mengurangi kapasitas

deformasi kolom CFST. Kapasitas deformasi kolom CFST yang menggunakan

beton mutu tinggi dapat ditingkatkan dengan menggunakan tabung baja mutu

tinggi atau penampang tabung yang kompak.

II.3. Karakteristik Material Baja

Untuk mengetahui sifat-sifat mekanis material baja, dilakukan uji tarik dari batang

baja sampai batang patah. Tarikan total pada batang selama pengujian, diukur

dengan menggunakan skala yang merupakan bagian dari mesin. Dari pengukuran

ini tegangan dan regangan satuan yang terlihat, dihitung dan kemudian diplot

sehingga menghasilkan diagram tegangan-regangan seperti yang ditunjukkan pada

Gbr. II.2. Pada kurva terdapat 3 bagian utama, yaitu bagian elastis, plastis dan

strain hardening.

9

Pada bagian elastis, regangan akan kembali ke nilai nol jika beban dilepas, dengan

kata lain batang akan kembali ke panjang awal setelah beban dilepas. Pada daerah

elastis akan berlaku hukum Hooke, karena tegangan yang diperoleh sebanding

dengan regangan yang didapat. Sedangkan nilai Modulus Elastisitas baja Es

merupakan nilai tangen pada bagian kurva elastis, yang pada umumnya

mempunyai nilai sebesar 200.000 sampai 210.000 MPa.

Pada bagian daerah plastis, regangan tidak akan kembali ke nilai nol jika beban

dilepas, dengan kata lain batang tidak akan kembali ke panjang awal setelah beban

dilepas. Kurva pada daerah plastis berbentuk non linear dan pada daerah ini akan

terjadi tegangan leleh baja yf yaitu tegangan minimum yang terjadi pada saat baja

akan mengalami pertambahan regangan tanpa adanya penambahan tegangan.

Bagian yang terakhir adalah daerah strain hardening. Bagian ini merupakan

bagian dari daerah plastis, dimana regangan tidak akan kembali ke nilai nol

setelah beban dilepas. Tetapi tegangan bertambah lagi seiring dengan

bertambahnya regangan sampai mencapai tegangan batas (maksimum) uf .

Gbr.II.2 Hubungan tegangan-regangan baja lunak dan baja keras

10

Pada gbr II.2. diatas ada dua jenis tegangan, yaitu tegangan satuan sesungguhnya

dan tegangan satuan yang terlihat. Kurva tegangan satuan yang terlihat (garis

putus-putus) didapat apabila tegangan dihitung berdasarkan luas penampang

batang tarik sesungguhnya ketika di uji tarik, sedangkan kurva tegangan satuan

sesungguhnya dihitung berdasarkan luas potongan penampang awal batang

sebelum di uji tarik. Untuk baja keras, kekuatan lelehnya lebih tinggi dibanding

baja lunak tetapi pada umumnya lebih getas dibanding baja lunak sehingga

keruntuhannya akan terjadi secara tiba-tiba.

II.4. Model Konstitutif

Salah satu pendekatan yang umum digunakan untuk mengetahui respon

penampang kolom CFST adalah dengan menggunakan model penampang yang

dibagi-bagi menjadi beberapa lapis yang tipis, dan tegangan yang terjadi ditiap

lapis pada potongan penampang kolom digabungkan untuk mendapatkan resultan

tegangan seperti gaya dan momen. Ada beberapa asumsi yang digunakan pada

pendekatan ini, yaitu

1. Penampang datar tetap datar, sebelum dan setelah melentur. Anggapan ini

dianggap benar bahkan hingga sampai ke daerah plastis.

2. Gaya geser dan torsi diabaikan.

3. Tidak terjadi slip antara material beton dan baja.

4. Hubungan konstitutif beton yang digunakan dapat berbentuk uniaksial atau

multiaksial yang memperhitungkan pengaruh kekangan tabung baja

terhadap peningkatan kuat tekan beton.

Dengan merujuk pada asumsi penampang datar tetap datar, dan hubungan

konstitutif material yang digunakan, maka tegangan-tegangan yang terjadi pada

tiap lapis dapat diketahui. Dengan demikian keakuratan model konstitutif material

beton dan tabung baja yang digunakan akan sangat berpengaruh terhadap

keakuratan analisis penampang kolom CFST secara keseluruhan.

11

II.4.1. Model Konstitutif Beton

Hajjar dan Gourley dalam penelitiannya terhadap kolom CFST penampang

persegi, mengusulkan model konstitutif beton yang terkekang dalam tabung baja

yang mengalami beban tekan uniaksial merupakan perpaduan dari model yang

diusulkan oleh Popovics (1973) dan Tomii-Sakino (1979). Untuk daerah kurva

yang menanjak (ascending branch) digunakan model popovics untuk beton mutu

normal dan beton mutu tinggi yang tidak terkekang (unconfined), sedangkan

daerah sisanya digunakan model yang diusulkan oleh Tomii dan Sakino, dimana

Tomii dan Sakino melaporkan bahwa tabung baja persegi yang digunakan pada

waktu itu diasumsikan hanya memberi pengaruh kekangan pada tercapainya

daktilitas beton yang lebih besar sedangkan peningkatan kekuatan beton tidak

terjadi. Untuk kurva tegangan-regangan tarik digunakan model yang diusulkan

oleh Vecchio dan Collins (1986). Gbr.II.3. merupakan bentuk dasar kurva

tegangan regangan uniaxial untuk beberapa kombinasi kuat tekan beton tidak

terkekang fc' dan rasio B/t yang digunakan oleh Hajjar dan Gourley dalam

penelitiannya.

Zhang dan Shahrooz menegaskan bahwa prilaku beton yang dikekang oleh

tabung baja berbeda dengan beton yang dikekang oleh tulangan lateral seperti

yang biasa digunakan pada kolum beton bertulang. Pada kolom CFST, fungsi

tabung baja selain memberikan kekangan pada beton, juga berfungsi untuk

menahan beban aksial dan momen lentur sehingga tabung baja akan mengalami

tegangan biaksial, sedangkan fungsi utama tulangan lateral pada kolom beton

bertulang adalah memberikan tekanan lateral pada inti beton. Melihat perbedaan

prilaku yang sangat mendasar tersebut, Zhang dan Shahrooz mempertimbangkan

bahwa model-model kekangan yang telah ada untuk kolom beton bertulang

(Mander dkk, 1982 dan 1988; Sheikh dan Uzumeri, 1982; Saatcioglu dan

Razvi,1982) tidak dapat diterapkan untuk kolom CFST. Zhang dan Shahrooz

menggunakan model yang di usulkan oleh Tomii dan Sakino (1979).

12

Seperti yang terlihat dalam gbr.II.3., bagian kurva yang menaik hingga ke

regangan 0,002 berbentuk parabola yang merepresentasikan persamaan

Hognestad, sedangkan Hajjar dan Gourley mengusulkan bagian ascending branch

mengikuti persamaan Popovics. Respon pasca puncak setelah regangan beton

0,005 bergantung pada rasio B/t. Interpolasi linear dapat digunakan untuk nilai-

nilai B/t yang berbeda dari nilai B/t pada gbr.II.3. Beton di asumsikan mernpunyai

tegangan yang konstan setelah regangan 0,0 15. peningkatan kekuatan tekan beton

akibat pengaruh kekangan tabung baja diabaikan untuk tabung baja berpenampang

persegi. Model konstitutif ini berlaku untuk beton mutu normal yang dikekang

oleh tabung baja berkekutan normal.

Penelitian terhadap perilaku kolom CFST yang merupakan bagian dari tahap

kelima kerjasama program penelititan kegempaan Amerika Serikat-Jepang yang

dilakukan oleh Sakino, Nakahara, Morino dan Nishiyama mengusulkan model

matematik tegangan-regangan beton yang dikekang oleh tabung baja berdasarkan

persamaan II.7. Persamaan tegangan-regangan betom pada kolom CFST yang

diusulkan oleh Sakino dkk tersebut.telah memperhitungkan pengaruh kekangan

Tegangan-Regangan Beton

0

20

40

60

80

100

120

0 0,005 0,01 0,015 0,02 Regangan

Tega

ngan

(MPa

) fc'=100 MPa ; D/t=24

fc'=40 MPa ; D/t=40

fc'=30 MPa ; D/t=64

Gbr.II.3. Model konstitutif beton Tomii dan Sakino (1979)

13

tabung baja penampang lingkaran terhadap peningkatan kekuatan dan peningkatan

perilaku setelah kekuatan maksimum tercapai (daktilitas). Sedangkan pada kolom

CFST penampang bujursangkar, hanya diperhitungkan daktilitasnya saja. Pada

model ini juga telah diperhitungkan pengaruh skala pada kekuatan beton, sehingga

kuat tekan beton pada dimensi penampang yang lebih besar dari dimensi silinder,

akan lebih kecil dibanding kuat tekan silinder betonnya.

II.4.2. Model Konstitutif Tabung Baja

Kebanyakan model konstitutif tabung baja yang digunakan dalam analisis

penampang fiber adalah hubungan tegangan-regangan uniaksial. Beberapa studi

terdahulu menggunkan hubungan tegangan-regangan sederhana yang berbentuk

bilinier dengan atau tanpa strain hardening dan mendapatkan hasil yang hapir sam

dengan hasil pengujian (Uy dan Vrcelj )

II.5. Hubungan Konstitutif Beton

Hubungan konstitutif material beton yang digunakan pada penulisan tesis ini ada

dua model, yang pertama adalah model Tomii dan Sakino (1979) dan yang kedua

adalah model Fujimoto, Mukai, Nishiyama dan Sakino (2004). Kedua model ini

nantinya akan dibandingkan untuk mendapatkan model mana yang paling

representatif digunakan dalam menganalisis perilaku penampang kolom CFST

pendek.

II.5.1. Model Konstitutif Beton Tomii dan Sakino (1979)

yang diusulkan oleh Tomii dan Sakino hanya mempertimbangkan Peningkatan

Model daktilitas beton akibat kekangan yang diberikan oleh tabung baja,

sedangkan peningkatan kekuatan beton tidak diperhitungkan. Seperti yang terlihat

pada gbr.II.3, untuk beton normal bagian kurva yang menaik hingga ke regangan

0,002 berbentuk parabola yang merepresentasikan persamaan Hognestad sebagai

berikut :

2

' 2 c cc c

o o

f f ε εε ε

⎡ ⎤⎛ ⎞⎢ ⎥= − ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

(II.1)

14

Sedangkan untuk beton mutu tinggi bagian kurva yang menaik hingga ke

regangan 'cε saat tegangan puncak, mengikuti persamaan Thorenfeldt,

Tomaszewicz dan Jensen (1987) sebagai berikut :

' ' '1 ( )c c

nc c c c

f nf n

εε ε ε

=− +

(II.2)

dimana,

'

0.817

cfn = + (II.3)

'

'

1c

cc

f nE n

ε =−

(II.4)

'3320 6900c cE f= + (II.5) Setelah beton mencapai tegangan puncak '

cf , tegangan puncak tersebut

dipertahankan dengan nilai konstan hingga ke regangan beton 0,005. Respon

pasca puncak setelah regangan beton 0,005 bergantung pada rasio B/t, dimana

tegangan yang terjadi sesudahnya cpf menurun mengikuti rumus berikut :

'(1.6 0.025 )cp cBf ft

= − (II.6)

Persamaan II.6 dikembangkan oleh Tomii dan Sakino menggunakan data

pengujian dari kolom CFST penampang persegi dengan rasio B/t antara 24 dan

44. mempertahankan tegangan beton cpf dengan nilai konstan mulai dari

regangan 0,005 hingga 0,015, sedangkan penampang dengan rasio D/t lebih dari

24 mengikuti persamaan II.6. Pada rasio B/t sebesar 64, cpf menjadi nol. Semua

penampang dengan rasio B/t yang lebih besar dari 64 mengikuti bentuk kurva

yang sama dengan penampang yang memiliki rasio B/t sebesar 64. Beton

kemudian diasumsikan mempunyai tegangan yang konstan setelah regangan 0,015

tercapai.

15

II.5.2. Model Konstitutif Beton Fujimoto, Mukai, Nishiyama dan Sakino

(2004)

Model ini merupakan persamaan matematika yang diturunkan dari hasil pengujian

keempat peneliti diatas (Fujimoto, Mukai, Nishiyama dan Sakino) untuk

hubungan tegangan-regangan beton terkekang yang memperhitungkan

peningkatan kekuatan dan daktilitas beton (gbr.II.5). Bentuk kurva tegangan-

regangan beton yang diusulkan merupakan fungsi dari kuat tekan beton tak

terkekang cpσ , kuat leleh baja yf dan rasio D/t untuk penampang lingkaran atau

rasio B/t untuk penampang bujursangkar. Model ini juga dapat digunakan pada

kolom tabung baja yang diisi beton mutu normal atau beton mutu tinggi dan telah

diterapkan oleh para peneliti dari Jepang tersebut pada program penelitian

kerjasama kegempaan tahap lima antara negara Amerika Serikat dan Jepang.

Hubungan tegangan-regangan beton pada model ini telah memperhitungkan

pengaruh kekangan tabung baja penampang lingkaran terhadap peningkatan

kekuatan dan peningkatan prilaku setelah kekuatan maksimum tercapai

(daktilitas). Sedangkan pada kolom CFST penampang bujursangkar, hanya

diperhitungkan daktilitasnya saja. Faktor lain yang juga telah diperhitungkan pada

model ini adalah pengaruh skala pada kekuatan beton, sehingga beton yang

dimensi penampangnya lebih besar dari dimensi silinder beton, kuat tekannya

Gbr.II.4. Model kurva tegangan regangan beton Tomii dan Sakino (1979)

16

akan lebih kecil dibanding kuat tekan silinder betonnya (persamaan II.6, II.8a dan

II.8b).

Model ini didasarkan pada ekspresi yang diusulkan oleh Sakino dan Sun (1994)

untuk beton yang dikekang oleh tabung baja dan atau sengkang konvensional

dengan mengabaikan kekuatan tarik beton. Hubungan tegangan-regangan beton

pada kolom CFST diekspresikan oleh persamaan matematika :

2

2

( 1)1 ( 2)

VX W XYV X WX+ −

=+ − +

(II.7)

Dimana untuk :

Kolom CFST penampang lingkaran Kolom CFST penampang bujursangkar

/c ccoX ε ε= /c coX ε ε= /c ccBY σ σ= /c cpY σ σ=

. /c cco ccBV E ε σ= . /c co cpV E ε σ= ( / ).re e rk kσ σ= 2½. . .( / )re h sy t bσ ρ σ=

( / ) 1 .( / )ccB cp r cpK kσ σ σ σ= = + ( / ) 1ccB cp Kσ σ = =

-31,5 17,1 x 10 2,39cp reW σ σ= − + (II.8)

( ) 36,90 3,32 x 10c cpE σ= + (II.9)

Gbr.II.5. Model kurva tegangan-regangan beton Fujimoto dkk

17

( )1 4 -30,94 x 10co cpε σ= (II.10)

1 4,7( 1), jika 1.5cco co K Kε ε = + − ≤ (II.11.a) 3,35 20( 1,5), jika >1.5cco co K Kε ε = + − (II.11.b) .ccB cp rkσ σ σ= + (II.12) cp cB Uσ σ γ= × (II.13)

0,1121,67 ,untuk penampang lingkaranU Dγ −= (II.14.a)

0,112

21,67 ,untuk penampang bujursangkarUBγπ

−⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠

(II.14.b)

e

2 .0,19., k=4,1 , k 23

2sy

r

tD t

σσ = =

− (II.15)

II.6. Hubungan Konstitutif Tabung Baja dan Baja Tulangan Elastis-Plastis

Hubungan konstitutif material tabung baja dan baja tulangan yang digunakan

pada penulisan tesis ini adalah model elastis-plastis sempurna.Baja dimodelkan

dengan menggunakan kurva tegangan-regangan yang diidealisasikan seperti yang

ditunjukkan pada gbr.II.6. Kurva ini berbentuk elastis pada awalnya kemudian

diasumsikan secara sempurna berbentuk plastis. Kurva ini dianggap cocok untuk

merepresentasikan karakteristik tegangan-regangan pada baja struktural mutu

normal dan mutu tinggi. Hubungan tegangan regangan sebelum mencapai

regangan leleh yε adalah :

.s s sf E ε= (II.16)

Setelah regangan leleh yε tercapai, maka :

s yf f= (II.17)

Gbr.II.6. Model kurva tegangan-regangan baja elastis-plastis sempurna

18

II.7. Jenis-Jenis Kolom Komposit

Beberapa contoh penampang kolom komposit diperlihatkan dalam gbr II.7. Pipa

baja yang diisi beton (gbr II.7.a) atau tabung baja yang diisi beton (gbr II.7.b)

merupakan penampang kolom komposit yang paling umum digunakan. Bentuk

kaison, seringkali digunakan untuk pengeboran lumpur dan juga dapat membantu

mendukung beban (gbr II.7.c). Pada awalnya, lapisan beton digunakan sebagai

pelindung terhadap api (Gbr II.7.d&e). Bentuk penampang kolom CFST

(gbr.II.7.a,b) memberikan keunggulan dibanding penampang kolom steel

reinforced concrete SRC (gbr.II.7.d,e) yaitu lebih fleksibel dan lebih mudah

pengerjaannya. Hal ini terutama berguna dalam pembangunan konstruksi

bangunan gedung bertingkat banyak dimana dibutuhkan sifat workability yang

tinggi dan fleksibilitas ruangan terbuka untuk penggunaan bangunan secara

maksimum. Gbr II.7.f. memperlihatkan bentuk kolom komposit, dimana

penggunaan dari profil struktur untuk melindungi sudut-sudut kolom beton yang

tidak terlindung pada daerah dok dan lalu lintas. Penampang dalam gbr II.7.g.

menunjukkan suatu optimasi tahan gempa terhadap kekuatan geser dari profil

struktur dan daktilitas dari inti beton yang diberi tulangan spiral untuk

menstabilkan mode sesudah kehancuran dari tekuk lokal bentuk tersebut.

Gbr.II.7.Bentuk potongan penampang kolom komposit

19

Struktur bangunan yang menggunakan komponen kolom struktur konvensional

seperti beton bertulang, baja yang diperkuat beton SRC dan baja dapat juga

direncanakan dan dilaksanakan dengan menggunakan kolom CFST dengan segala

kelebihan yang dimilikinya dan ada saatnya penggunaan kolom CFST lebih

ekonomis dibanding jenis kolom lainnya (lihat gbr.II.8.), kolom CFST sangat

cocok diterapkan pada gedung bertingkat tinggi dimana sifat workability dan

fleksibiliry sangat dibutuhkan. Pada kolom CFST, beton yang di isi ke dalam pipa

atau tabung baja dapat menambah kekuatan, kekenyalan dan kekakuan pipa atau

tabung baja. Tipe kolom komposit CFST biasanya digunakan ketika elemen baja

struktur diperlihatkan secara kasat mata untuk alasan arsitektur, dan sifat

ekonomis terwujud dengan berkurangnya penggunaan bekisting atau cetakan

untuk beton.

Schneider dalam percobaannya terhadap kolom CFST yang dibebani secara aksial

konsentris menyimpulkan kolom CFST penampang lingkaran lebih daktail

dibanding kolom CFST dengan penampang bujursangkar atau persegi. Kolom

CFST penampang lingkaran yang diuji dalam studi eksperimentalnya

menunjukkan pengaruh strain hardening bahkan pada kolom CFST dengan

dinding tabung yang paling tipis sekalipun (D/t = 47). Tekuk lokal pada dinding

tabung penampang lingkaran terjadi pada daktilitas aksial sebesar 10 atau lebih,

Gbr.II.8. Perbandingan kolom komposit dan kolom konvensional

20

sementara pada tabung bujursangkar dan persegi tekuk lokal terjadi pada daktilitas

aksial sebesar 2 sampai 8. Sifat-sifat yang terdapat pada kolom CFST penampang

lingkaran ini tentu sangat bermanfaat jika diterapkan pada daerah rawan gempa.

Telah banyak peraturan di seluruh dunia yang memberikan batasan dan prosedur

perencanaan kolom CFST seperti peraturan AISC LRFD, ACI, Eurocode 4 dan

Architectural Institute of Japan (AIJ). Zhang dan Shahrooz pernah menguji

keakuratan metode ACI untuk memprediksi kekuatan kolom CFST penampang

bujursangkar yang masuk dalam kategori kolom pendek dan kolom panjang dan

diketahui metode ACI standar dapat secara realistis menghitung kapasitas

penampang kolom CFST sejauh tabung baja yang digunakan adalah baja mutu

normal ( yf <400 MPa). Jika tabung baja yang digunakan adalah tabung baja mutu

tinggi maka metode ACI standar perlu dimodifikasi dimana diasumsikan kapasitas

penampang kolom CFST terjadi saat tabung baja telah leleh seluruhnya.

Zhang dan Shahrooz juga membandingkan metode ACI dengan metode AISC

LRFD dalam menentukan kapasitas kolom CFST, dan diketahui hasil yang

diperoleh metode ACI lebih mirip dengan hasil beberapa pengujian yang pernah

mereka dan peneliti lain lakukan.

O’shea dan Bridge dalam penelitiannya telah membandingkan metode Eurocode 4

dan ACI 318 dan diketahui Eurocode 4 dapat memprediksi dengan baik kekuatan

penampang kolom CFST dengan tabung baja tipis yang mengalami kombinasi

gaya tekan dan lentur. Dari hasil penelitiannya diketahui bahwa peraturan

Eurocode 4 dapat digunakan untuk merencanakan kekuatan kolom CFST pendek

dengan tabung baja tipis yang diisi beton dengan kekuatan tekan silinder hingga

80 MPa, sedangkan pada kolom CFST pendek dengan tabung baja tipis yang diisi

beton mutu sangat tinggi ( 'cf =100 MPa) peraturan Eurocode menghasilkan nilai

kekuatan yang overestimate dibandingkan dengan hasil pengujian. Mereka

menemukan fakta terjadi peningkatan kekuatan yang sangat kecil pada kasus

kolom CFST yang terbuat dari beton mutu sangat tinggi.

21

II.8. Keruntuhan Kolom Komposit

Keruntuhan pada kolom komposit baja-beton dapat terjadi karena kehancuran

bahan yang ditandai dengan melelehnya baja atau hancurnya beton, atau akibat

ketidakstabilan struktur (tertekuk). Jika kolom mengalami keruntuhan yang

disebabkan oleh kehancuran bahan, maka kolom tersebut dapat diklasifikasikan

sebagai kolom pendek atau juga dapat diklasifikasikan sebagai kolom langsing.

Sedangkan jika kolom mengalami keruntuhan karena tertekuk, maka kolom

tersebut diklasifikasikan sebagai kolom langsing. Keruntuhan yang disebabkan

oleh kehancuran material terbagi dua macam, yaitu keruntuhan tarik yang ditandai

dengan melelehnya baja pada bagian tekan atau tarik, dan keruntuhan tekan yang

ditandai dengan hancurnya beton pada bagian tekan. Kondisi seimbang terjadi

ketika keruntuhan tarik dan tekan terjadi bersamaan. Jika Pn adalah beban aksial

dan Pnb adalah beban aksial yang berhubungan dengan kondisi seimbang, maka

jika Pn lebih kecil daripada Pnb dikatakan keruntuhan tarik, jika Pn lebih besar dari

Pnb dikatakan keruntuhan tekan dan jika Pn sama dengan Pnb dikatakan keruntuhan

seimbang. Kondisi keruntuhan seimbang terjadi ketika baja tarik mencapai

regangan leleh yε tepat pada keadaan beton mencapai regangan batas beton cε

(Peraturan ACI mengasumsikan sebesar 0,003 untuk beton bertulang) dan

kemudian hancur. Apabila baja lebih dulu mencapai tegangan lelehnya sebelum

tegangan tekan beton mencapai maksimum maka dikatakan keruntuhan tarik dan

sebaliknya jika tegangan di serat beton lebih dulu mencapai kapasitas

maksimumnya sebelum tegangan pada baja meleleh disebut keruntuhan tekan.

II.9. Tebal Minimum Tabung Baja

Peraturan ACI dan AISC mensyaratkan ketebalan minimum pipa atau tabung baja

untuk mencegah terjadinya tekuk lokal sebelum pipa atau tabung baja meleleh,

yaitu sebesar :

min 8.y

s

ft h

E= untuk penampang lingkaran dengan diameter h (II.18)

min 3.y

s

ft b

E= untuk penampang persegi dengan lebar b (II.19)

22

sedangkan untuk tujuan ketahanan gempa, peraturan gempa AISC memberikan

batasan tebal minimum yang lebih ketat untuk kasus penampang bujursangkar,

yaitu :

min 2.y

s

ft b

E= (II.20)

sedangkan untuk penampang lingkaran, peratuan gempa AISC belum memberikan

batasan minimum tebal pipa, dikarenakan dari hasil pengujian kolom CFST

penampang lingkaran menunjukkan hasil yang memuaskan untuk perencanaan

tahan gempa.

Peraturan di negara Jepang membatasi nilai rasio kelangsingan pelat D/t untuk

penampang lingkaran dan B/t untuk penampang persegi sebesar :

235001,5.Dt F≤ untuk penampang lingkaran dengan diameter D (II.21)

7351,5.Bt F≤ untuk penampang persegi dengan lebar B (II.22)

dimana F adalah kekuatan standar untuk menentukan tegangan baja yang

diizinkan = nilai terkecil tegangan leleh dan 0,7 kali kuat tarik baja (MPa).

II.10. Prilaku Kolom Komposit

Pipa baja dalam kolom CFST menyumbang kekakuan lentur yang terbesar

dibanding beton di dalam pipa dan kekuatan tekan kolom adalah minimal sebesar

penjumlah kekuatan masing-masing bahan yaitu pipa baja dan beton tak

terkekang. Ketika beban konsentris diberikan pada baja dan beton secara merata,

rasio poisson baja menyebabkan dinding pipa mengembang secara lateral lebih

besar dibanding beton hingga gaya tekan yang diberikan menghasilkan tegangan

beton yang cukup untuk menyebabkan retak-retak kecil di dalam beton dan

membesarnya volume beton. Retak-retak kecil yang disertai dengan membesarnya

volume beton terjadi ketika tegangan lebih besar dari '0,5 cf setelah beton mulai

23

retak, dorongan beban yang ada menyebabkan beton mengembang secara lateral

dan ditahan oleh dinding pipa. Akhirnya dinding pipa mencapai tegangan lelehnya

akibat kombinasi gaya tekan longitudinal dan gaya tarik transversal yang

menyebabkan penggelembungan terjadi pada pipa baja dan beton tidak dapat

ditahan oleh dinding pipa akhirnya hancur bersamaan dengan runtuhnya kolom.

Kekangan triaksial dari dinding pipa dapat meningkatkan kekuatan efektif beton.

Secara teoritis, kekangan triaksial seharusnya dapat meningkatkan kekuatan

sebesar tiga kali kapasitas nominal beton di dalam pipa baja. Jika panjang kolom

lebih dari tiga kali diameternya, kekakuan longitudinal dinding pipa tidak cukup

untuk menahan tekuk inelastis saat beban tekan melebihi kapasitas yang

ditentukan tanpa peningkatan 'cf dari kekangan lateral. Pada kolom yang lebih

langsing, lokasi dimana kekuatan beton bertambah akibat kekangan menjadi

berkurang karena kekakuan longitudinal tidak dapat menahan terjadinya tekuk

inelastis. Grauers dkk dalam penelitiannya terhadap kolom CFST langsing,

menemukan bahwa pengaruh kekangan hanya terjadi pada kolom pendek, dimana

beban ultimit penampang komposit melebihi penjumlahan dari kapasitas nominal

penampang beton dan tabung baja sekitar 6%, sedangkan kapasitas dukung beban

kolom CFT langsing ditentukan dengan melelehnya tabung baja bagian tekan.

Pada kasus kolom langsing beton bertulang, kekangan yang diberikan oleh

tulangan sengkang hanya berpengaruh kecil terhadap peningkatan kapasitas

kolom, baik dalam hal kapasitas beban aksial maupun lendutan yang terjadi

sebelum mengalami keruntuhan.

Pada kolom pendek biasanya dapat mencapai kuat tampangnya (cross-sectional

strength), sedemikian hingga keruntuhan ditentukan oleh kekuatan komponen

materialnya, yaitu kuat tekan beton dan tegangan leleh baja. Meskipun demikian,

inti beton pada kolom pendek juga mengalami kekangan lateral (lateral

confinement) yang diberikan oleh tabung baja, sehingga kolom komposit mampu

mendukung beban lebih besar daripada beban aksial yang dapat didukung pada

kondisi tak-terkekang. Lebih jauh, dan mungkin yang lebih penting, perilaku

24

beton terkekang menjadi lebih liat (ductile), sehingga mempengaruhi perilaku

struktur secara keseluruhan

Beban konsentris umumnya jarang terjadi. Pada kenyataannya di lapangan,

kolom-kolom pada bangunan struktur akan menerima gaya aksial eksentris.

Dengan adanya kurvatur yang disebabkan oleh lenturan-maka dinding pipa baja

akan menekan inti beton, yang mengakibatkan terjadinya transfer geser sepanjang

kontak permukaan. Lekatan yang baik antara dinding pipa dengan inti beton dapat

merepresentasikan kondisi batas yang umum dimana hanya ada satu profil

regangan pada penampang kolom saat terjadinya kurvatur lentur. Hasil pengetesan

menunjukkan tidak ada perbedaan prilaku kolom CFST yang tidak dioles

pelumas. Studi yang dilakukan oleh Johansson menjelaskan bahwa kolom CFST

dengan dimensi penampang yang tidak terlalu besar tidak memerlukan shear

connector pada permukaan dinding pipa bagian dalam karena aksi komposit dapat

terwujud melalui lekatan yang alami antara inti beton dengan dinding bagian

dalam pipa baja.

II.11. Kombinasi Gaya Aksial Tekan Nominal dan Momen Nominal

Dalam praktek kolom mengalami beban aksial tekan dan momen. Momen yang

terjadi dapat disebabkan karena beban eksentris yang disengaja atau tidak

disengaja, juga dapat karena ketidaklurusan kolom. Sementara kemampuan

dukung kolom pendek ditentukan oleh kuat tampangnya.

Interaksi antara kedua gaya dalam tersebut seperti ditunjukan pada gambar di

bawah ini.

25

Pno

Regan

gan

tarik

sam

a de

ngan

0

B

t

Mn

Kondisi Balance

Pn

topcε

bottomsε

topcε

bottom s yε ε>

topcε

bottom s yε ε>

to pcε

bottomsε

bottomsε

topcε

topcε

bottomsε

topcε

bottomsε

Pb

Pn maks

1

2

3

4

5

6

7

Asr

Asr’d’

dt

Diagram interaksi tersebut dibagi dalam dua daerah, yaitu daerah keruntuhan

tekan (Compression control region) dan daerah keruntuhan tarik (Tension

control region) serta titik keseimbangan (balance) sebagai pembatasnya.

Jika suatu gaya normal bekerja pada kolom pendek, maka dapat dilihat berbagai

kasus sehubungan dengan lokasi gaya normal terhadap titik berat plastisnya.

1. Gaya Tekan Aksial (Po)

Adalah kasus dimana secara teoritis dianggap bekerja suatu gaya aksial yang

besar dan mempunyai titk tangkap pada titik berat plastisnya (plastic

centroid) atau e=0 dan M = 0.

2. Gaya Aksial Nominal yang Diijinkan ( Pnmaks)

Adalah kasus dimana gaya normal yang bekerja pada penampang

mengandung eksentrisitas minimum sesuai dengan standar tata cara yang

digunakan. Pada keadaan ini keruntuhan kolom terjadi akibat kehancuran

beton ( ctε mencapai uε ).

3. Keruntuhan Tekan

Gbr.II.9. Diagram Interaksi antara Momen dan Gaya Normal

26

Adalah kasus dimana bekerja gaya aksial yang besar disertai eksentrisitas

yang kecil, dimana nilai Pn terletak pada kisaran Pnmaks ≤ Pn ≤ Pnb. Pada

keadaan ini keruntuhan kolom terjadi akibat kehancuran beton( ctε mencapai

cuε ) dan tegangan tulangan tarik lebih kecil dari tegangan lelehnya

yf ( s yε ε< ), Pn > Pnb serta e < eb.

4. Keruntuhan Tarik

Adalah kasus dimana bekerja gaya aksial yang yang relatif kecil disertai

eksentrisitas yang besar. Pada keadaan ini lelehnya tulangan tercapai lebih

dahulu sebelum kehancuran beton, sehingga pada saat keruntuhan ( s yε ε< )

dan c cuε ε= , Pn < Pnb serta e > eb.

5. Kondisi keadaan seimbang

Pada kasus ini keadaan seimbang dicapai dimana regangan tekan beton ( cε )

mencapai regangan hancurnya ( cuε ) dan regangan tarik tulangan ( sε )

mencapai regangan lelehnya ( yε ) secara bersamaan, dengan demikian

keruntuhan beton terjadi bersamaan pada saat tulangan mengalami

pelelehan, Pn = Pb serta e = eb.

6. Kondisi Lentur Murni

Adalah kasus dimana dengan secara teoritis gaya normal yang bekerja (Pn)

sama dengan nol yang bersesuian dengan harga momen lentur tertentu (Mn).

II.12. Daktilitas

Daktilitas adalah kemampuan elemen struktur untuk berrespon secara inelastik

tanpa kehilangan kekuatan secara signifikan dan dinyatakan sebagai perbandingan

antara deformasi ultimit terhadap deformasi lelehnya. Level daktilitas tertentu

menentukan tingkat keamanan yang diperlukan agar tidak terjadi keruntuhan

secara tiba-tiba. Shin et al mendefinisikan daktilitas sebagai kemampuan elemen

struktur berdeformasi setelah mencapai kekuatan puncak tanpa terjadi penurunan

kekuatan yang lebih besar (Shin et al.1990).

Jenis-jenis daktilitas menurut Paulay dan Priestly, terdiri dari empat jenis, yaitu :

1. Daktilitas Regangan (Strain ductility)

Daktilitas regangan adalah perbandingan antara regangan maksimum dan

27

regangan leleh pada balok yang dibebani aksial tekan/tarik.

u

y

εμε

= (II.23)

2. Daktilitas Kelengkungan (Curvature ductility)

Daktilitas kelengkungan adalah perbandingan antara sudut kelengkungan

(putaran sudut per unit panjang) maksimum dengan sudut kelengkungan

leleh dari suatu elemen struktur akibat momen lentur.

u

y

ϕμϕ

= (II.24)

3. Daktilitas Rotasi (Rotation ductility)

Daktilitas rotasi adalah perbandingan putaran sudut maksimum terhadap

putaran sudut pada saat leleh.

u

y

θμθ

= (II.25)

4. Daktilitas Perpindahan (Displacement ductility)

Daktilitas perpindahan adalah perbandingan struktur maksimum terhadap

perpindahan struktur pada saat leleh.

Dalam penulisan tesis ini daktilitas yang ditinjau adalah daktilitas kelengkungan

dari elemen struktur kolom CFST pendek. Hal ini karena pada level elemen

deformasi yang berpengaruh adalah deformasi penampang yang menyebabkan

perubahan kelengkungan dari penampang. Perubahan kelengkungan ini

direpresentasikan oleh hubungan momen-kurvatur untuk satu beban aksial

tertentu.

Yield curvature adalah untuk perhitungan daktilitas kurvatur ditentukan dengan

mengambil nilai-nilai dari grafik momen-kurvatur. Nilai yϕ didapatkan dengan

menarik garis lurus dari titk (0,0) melewati grafik di besaran 0.75 Mnmaks hingga

memotong garis horisontal yang berimpit dengan nilai Mnmaks.

28

(0,0) φy φmaks

Mnmaks

φ

Mn

Gbr.II.10. Penentuan Besaran Daktilitas

0.75Mnmaks