Journal of Science and Engineering
Full Paper

## ANALISA KUAT GESER BALOK BETON BERTULANG BERLAPIS BETON NORMAL- BETON STYROFOAM
Kusnadi * , Imran, Muhammad Rizal
Universitas Khairun, Ternate, Indonesia

## Article history
Received
19 Mei 2022
Received in revised form 39 Mei 2022
Accepted 30 Mei 2022 *Corresponding author kusnadi@unkhair.ac.id

## Graphical abstract

## Abstract
This study aims to analyze the shear strength of layered reinforced concrete beams as a composite. Concrete beams consist of normal concrete f'c 25 MPa on the compression side and lightweight concrete of 2.55 MPa, 1.32 MPa and 0.31 MPa on the tensile side as a consequence of the use of styrofoam as much as 30%, 40% and 50% of the concrete volume. This layered concrete beam is intended  to  reduce  the  weight  of  the  structure.  The  tested  beam  is  designed  without  shear reinforcement with dimensions of .150 cm long, 15 cm wide and 32 cm high, given 3  12 flexural reinforcement. The beam test used two concentrated loads with an effective shear-span ratio (a/d) 1.43 to ensure shear failure. The shear strength of layered concrete beams depends on the quality of each layer of concrete where the higher the quality of the cross-sectional concrete, the higher the shear strength. The prediction of shear strength based on the regulation is in line with the shear strength in the first oblique crack condition.
Keywords: Shear strength , Reinforced concrete, Layered beam

## Abstrak
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  menganalisa  kuat  geser  balok  beton  bertulang  berlapis  sebagai sebuah komposit. Balok beton terdiri dari beton normal f’c 25 MPa pada sisi tekan dan beton ringan 2.55  MPa,  1.32  MPa  dan  0.31  MPa  pada  sisi  tarik  sebagai  konsekwensi  penggunaan  styrofoam sebanyak 30%, 40% dan 50%  terhadap volume beton. Balok beton berlapis ini diperuntukkan untuk mengurangi bobot struktur. Balok uji didisain tanpa penulangan geser dengan dimensi panjang .150 cm, lebar 15 cm dan tinggi 32 cm diberi tulangan lentur 3  12. Pengujian balok menggunakan dua beban terpusat dengan rasio bentang geser-tinggi efektif (a/d) 1,43 untuk memastikan terjadinya keruntuhan geser.  Kuat  geser balok beton  berlapis  tergantung pada  mutu beton  masing-masing lapisan dimana semakin tinggi mutu beton  penampang, semakin tinggi pula kuat gesernya. Prediksi kuat geser berdasarkan peraturan selaras dengan kuat geser pada kondisi retak miring pertama.
Kata Kunci : Kuat geser, beton bertulang, balok berlapis
© 2022 Penerbit Fakultas Teknik Unkhair. All rights reserved
Beton berlapis beton normal- beton ringan styrofoam untuk mereduksi bobot struktur Disain balok uji dengan keruntuhan geser Pengujian balok dengan dua beban terpusat Kuat geser balok beton berlapis tergantung pada mutu beton masing-masing lapisan

## 1.  PENDAHULUAN
Pada elemen lentur struktur beton bertulang, penampang beton yang berperan adalah pada bagian  tekan  sementara  sisi  tariknya  diabaikan  dalam  analisa  kekuatan  beton  bertulang. Tegangan yang terjadi pada sisi tarik ditahan oleh tulangan. Oleh karena itu, beton pada sisi tarik ini dapat diganti dengan beton ringan. Perpaduan beton normal dan beton ringan akan menghasilkan  elemen  struktur  komposit  yang  lebih  ringan.  Penggunaan  material  ringan selain dapat mengurangi berat sendiri juga berdampak pada berkurangnya dimensi komponen pendukung dan pondasi. Penggunaan material ringan dan kuat pada struktur di daerah gempa dapat mengurangi beban gempa pada struktur.
Salah  satu  material  yang  dapat  digunakan  untuk  membuat  beton  ringan  yaitu  sampah styrofoam  yang  dikenal  sebagai  gabus  putih  pembungkus  barang  elektronik.  Styrofoam merupakan turunan plastik dengan karakteristik ringan dan rapuh namun jika telah menjadi sampah susah terurai di alam. Penggunaan sampah styrofoam sebagai bahan beton ringan dapat  mengurangi  pencemaran  lingkungan.  Penggunaan  styrofoam  sebagai  bahan  pengisi beton telah banyak diteliti dan hasilnya menunjukkan penurunan bobot dan kuat tekan beton yang cukup besar (1).
Pada balok beton bertulang dengan keruntuhan lentur, balok beton bertulang komposit yang menggunakan  beton  normal  pada  sisi  tekan  dan  beton  ringan  pada  sisi  tarik  secara  teori mampu menahan beban lentur dimana tegangan tekan ditahan oleh beton pada sisi tertekan dan  tegangan  tarik  ditahan  oleh  baja    (2).  Namun  pada  balok  beton  bertulang  dengan keruntuhan geser, penurunan kuat tekan beton pada balok beton bertulang berlapis sebagai sebuah komposit yang menggunakan beton ringan pada sisi tarik tentu akan mempengaruhi kapasitas gesernya.
Mekanisme  perlawanan  geser  dalam  komponen  struktur  beton  bertulang  merupakan kombinasi dari perlawanan geser beton tak retak pada daerah tertekan (compression zone) gaya ikatan antar agregat  sepanjang retakan dan aksi pasak tulangan memanjang sebagai perlawanan terhadap gaya trasversal yang harus ditahan (3). Mekanisme perlawanan geser ini dapat dilihat pada Gambar 1.
Berdasarkan  Gambar  1,  kekuatan  geser  penampang  balok  tanpa  penulangan  geser  dapat dirumuskan sebagai:
Vu = V cz + V a + V d (1)
V cz adalah perlawanan geser pada penampang tak retak, V a adalah perlawanan geser akibat ikatan antar agregat dan V d adalah perlawanan geser dari aksi pasak tulangan memanjang.
Gambar 1. Gaya-Gaya Perlawanan Pada Balok Yang Telah Retak Tanpa Tulangan Geser (3)
Rasio a/d V V V T V R V V V V V T F D C V E T C A V B a ay ax 2 d ax ay d 2 a 1 cz 1 cz 1
Menurut ACI 318 (4) yang juga diadopsi dalam SNI-03-2847 (5), untuk komponen-komponen yang  menahan  gaya  geser  dan  lentur  saja,    rumusan  sederhana  kapasitas  beton  untuk menahan gaya geser adalah
d b f V w c c        ' 6 1
(3)
f’c  adalah  kuat  tekan  beton,  bw  lebar  penampang  dan  d  adalah  tinggi  efektif  penampang. Sebenarnya rumusan ini efektif untuk balok dengan nilai a/d lebih besar dari 2.5. Persamaan 3 menunjukkan bahwa kuat geser balok beton sebanding dengan kuat tekan beton dan luas penampang efektif. Pada balok komposit beton normal dan beton styrofoam, kuat geser  balok  mungkin  dapat  diprediksi  berdasarkan  nilai  kuat  tekan  dan  luas  penampang masing-masing beton pembentuk balok komposit seperti yang terlihat dalam Persamaan 4.
2 2 ' 2 1 1 ' 1 , 6 1 6 1 d b f d b f V w c w c teo c              
(4)
f c1 dan f c2 adalah kuat tekan beton ada lapisan pertama dan kedua, d 1 dan d 2 adalah tinggi efektif lapisan pertama dan kedua.
Penelitian ini bertujuan untuk menganalisa kapasitas geser balok beton bertulang berlapis yang menggunakan beton normal dan beton ringan styrofoam.

## 2.  METODE PENELITIAN

## Desain benda uji
Agar terjadi keruntuhan geser pada balok uji, maka beberapa persyaratan yang harus dipenuhi antara lain: (1) Rasio bentang geser-tinggi efektif penampang (a/d) antara 1 – 2.5. (2) Balok dibuat  menjadi  balok  pendek  (short  beam).  (3)  Memasang  tulangan  tarik  lebih  banyak sehingga beban keruntuhan lentur lebih besar dari beban keruntuhan geser (6).
Dimensi balok uji sebagai berikut: panjang balok 150 cm, bentang 130 cm, lebar penampang15 cm, tinggi penampang 32 cm, tinggi efektif  289 mm, rasio bentang geser  – tinggi efektif sebesar 1,43 memenuhi syarat ( 1 < a/d < 2,5). Tulangan tarik 3Ø12, tulangan tekan 2Ø6, sengkang diameter 6 ditempatkan pada titik beban dan tumpuan. Variasi benda uji balok dapat dilihat pada Gambar 2.

## Material
Balok uji menggunakan beton normal pada sisi tekan dan beton styrofoam pada sisi tarik. Kuat tekan rata-rata beton normal sebesar fc 25 MPa. Kuat tekan rata-rata beton styrofoam bervariasi sesuai dengan kandungan styrofoam yang digunakan. Kuat tekan beton dengan kandungan styrofoam 30%, 40% dan 50% terhadap volume beton berturut-turut sebesar 2.55 MPa,  1.32  MPa  dan  0.31  MPa.  Kuat  tekan  beton  normal  dan  beton  styrofoam  diperoleh berdasarkan  hasil  pengujian  silinder  diameter  15  cm,  tinggi  30  cm.  Baja  tulangan  balok menggunakan baja tulangan polos dengan kuat tarik dan modulus elastisitas berturut-turut sebesar 403.82 MPa dan 209786 MPa.

## Alat
Pengujian geser balok beton bertulang menggunakan portal baja sebagai tumpuan balok dan beban.  Pembebanan  balok  menggunakan  dongkrak  yang  dilengkapi  dengan  manometer kapasitas 25 ton yang diopersikan secara manual. Lendutan balok diukur dengan dial gauge dengan ketelitian 0.001 mm. Pengaturan pengujian dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 2. Variasi balok uji
Gambar 3. Pengujian balok uji 130 150 32 2Ø6 3Ø12 begel Ø6 BN 32 2Ø6 3Ø12 begel Ø6 BB30 32 2Ø6 3Ø12 begel Ø6 BB40 32 2Ø6 3Ø12 begel Ø6 BB50 3Ø12 2Ø6 styrofoam 30% styrofoam 40% styrofoam 50% 3Ø12 2Ø6 3Ø12 2Ø6 3Ø12 2Ø6 15 15 15 15 32 32 32 32 130 150 130 150 130 150 16 16 16

## 3.  HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Pola retak
Gambar 4  menunjukkan  pola  retak  masing-masing  balok.  Angka  dalam  pola  retak menunjukkan  urutan  terjadinya  retak  pada  balok  setelah  menerima  beban.  Semua  balok menunjukkan retak pertama merupakan retak lentur yang terjadi di tengah bentang. Balok dengan kuat tekan yang lebih rendah menghasilkan retak lebih banyak. Retak miring terjadi di sekitar bentang geser setelah terjadinya retak lentur. Gambar 3 juga menunjukkan bahwa semua balok uji runtuh secara geser melalui retak miring
Gambar 4. Pola retak

## 3.2 Beban retak
Beban  pada  saat  terjadinya  retak  pertama,  retak  miring  pertama  dan  runtuh  dapat  dilihat dalam Tabel 1.
Tabel 1. Beban retak saat retak pertama, retak mirin dan saat runtuh
Balok Uji Beban Retak  Pertama Retak Miring Pertama Saat Runtuh (kN) (kN) (kN) BN 58 78 141 BB-30 42 62 110 BB-40 38 58 101 BB-50 22 56 94
Tabel 1 menunjukkan bahwa beban retak, baik retak pertama, retak miring pertama dan beban pada  saat  runtuh  dipengaruhi  oleh  kuat  tekan  beton.  Balok  BN  dengan  beban  retak  lebih besar,    memiliki  kuat  tekan  lebih  besar  dari  balok  komposit  pada  seluruh  penampangnya. Balok komposit dengan dengan kandungan styrofoam yang lebih sedikit memiliki kuat tekan lebih tinggi dibandingkan balok beton dengan kandungan styrofoam yang lebih banyak yang juga berdampak pada tingginya beban retak.
BN 1 2 3 4 5 6 7 8 BB30 1 5 4 6 7 8 2 3 BB40 beban 5 ton (Ultimate) 7 2 3 5 1 6 9 4 8 10 BB50 beban 4.8 ton (Ultimate) 1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 12 6

## 3.3 Kuat geser
Secara teoritis, kapasitas geser penampang balok beton dipengaruhi oleh luas bidang geser dan  mutu  beton.  Untuk  balok  beton  berlapis,  kapasitas  geser  balok  juga  dipengaruhi  luas bidang geser dan kuat tekan beton masing-masing lapisan sesuai  Persamaan 4. Kuat geser balok uji secara teoritis berdasarkan Persamaan 4 dapat dilihat dalam Tabel 2.
Tabel 2. Kuat geser balok teoritis Balok Uji Kuat Tekan Beton Lebar Tinggi efektif Kuat Geser f'c1 f'c2 bw d1 d2 Vc,teo (MPa) (MPa) (mm) (mm) (mm) (kN) BN 25.27 25.27 150 129 289 36.32 BB-30 2.55 25.27 150 129 160 25.26 BB-40 1.32 25.27 150 129 160 23.81 BB-50 0.31 25.27 150 129 160 21.89
Tabel  2  menunjukkan  bahwa  semakin  tinggi  mutu  beton  penampang  semakin tinggi  pula kemampuan  geser  balok.  Kuat  geser  teoritis  sesuai  Persamaan  4  sejalan  dengan  hasil eksperimen  dimana  balok dengan  kuat  geser  yang tinggi  juga  memikul beban geser  yang lebih tinggi.
Kuat  geser  balok  hasil  eksperimental  didasarkan  pada  beban  yang  terjadi  pada  saat  retak miring terjadi dan pada saat balok mengalami keruntuhan secara geser. Kuat geser didapatkan berdasarkan  prosedur  mekanika  teknik  sesuai  model  pembeban  balok  uji.  Kuat  geser ekperimental balok uji dapat dilihat pada Tabel.3.
Tabel 3. Perbandingan kuat geser teoritis, retak miring dan batas.
Balok Uji Kuat Geser Vr/Vc, teo Vu/Vc, teo Teoritis (Vc, teo) Retak  miring pertama (Vr) Batas (Vu) (kN) (kN) (kN) BN 36.32 39.00 70.50 1.07 1.94 BB30 25.26 31.00 55.00 1.23 2.18 BB40 23.81 29.00 50.50 1.22 2.12 BB50 21.89 28.00 47.00 1.28 2.15
Tabel  3  menunjukkan  bahwa  kuat  geser  balok  pada  saat  terjadinya  retak  pertama menunjukkan nilai yang mendekati kuat geser secara teoritis berdasarkan Persamaan 4. Pada balok normal terlihat bahwa rasio kuat geser eksperimental dengan teoritis sebesar 1,07 dan pada  balok  beton  komposit  antara1,22  sampai  1,28.  Fenomena  tingginya  kuat  geser ekperimental  dibandingkan  prediksi  secara  teoritis  menggunakan  rumusan  standar  juga dilaporkan  oleh  peneliti  sebelumnya  (7).    Terlihat  dalam  Tabel  3  bahwa  kapasitas  geser penampang beton didasarkan pada terjadinya retak miring pertama. Kuat geser ultimit balok bahkan  jauh  lebih  tinggi  dibandingkan  kapasitas  geser  balok  secara  teoritis  berdasarkan Persamaan 4. Kemampuan geser balok beton bertulang walaupun tanpa tulangan geser tidak terlepas  dari  adanya  perlawanan  geser  dari  daerah  tertekan,  aksi  pasak  dari  tulangan memanjang dan adanya gesekan antar agregat pada bidang geser (3).

## 4.  KESIMPULAN
Beberapa kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini sebagai berikut:
1. Kuat  geser  balok  bertulang  berlapis  dipengaruhi  mutu  beton  masing-masing  lapisan dimana semakin tinggi mutu beton semakin tinggi pula kuat gesernya.
2. Prediksi kuat geser beton pada balok dengan
d b f V w c c        ' 6 1 pada balok beton bertulang biasa dan modifikasinya
2 2 ' 2 1 1 ' 1 , 6 1 6 1 d b f d b f V w c w c teo c               untuk balok beton bertulang berlapis masih konservatif dimana nilai yang didapatkan secara eksperimental masih lebih tinggi.
3. Rumus  prediksi  kuat  geser  beton  pada  balok  beton  bertulang  merupakan  petunjuk terjadinya retak geser pada balok beton bertulang dengan nilai rasio bentang geser-tinggi efektif (a/d) di bawah 2,5.
4. Pada balok pendek dengan a/d antara 1-2.5, kapasitas geser ultimit balok beton bertulang biasa hingga mencapai runtuh hampir dua kali lebih besar dibandingkan dengan prediksi sementara pada balok beton berlapis lebih dua kali lipat dari prediksi.

## References
[1]  Satyarno, Iman. Lightweight Styrofoam Concrete for Lighter and More Ductile Wall. 2006, Jurnal HAKI.
[2]  Nawy, Edward G. Reinforced Concrete, A Fundamental Approach, Fifth Edition. New Jersey : Prentice Hall, 2003.
[3]  MacGregor, James G. Reinforced Concrete Mechanics and Design, Third Edition. s.l. : Prentice-Hall International, Inc, 1997.
[4]  ACI Committee 318. Building Code Requirements for Structural Concrete ( ACI 318-08 ). 2008.
[5]  SNI  2847.  Persyaratan  Beton  Struktur  untuk  Bangunan  Gedung.  s.l.  :  Badan Standardisasi Nasional Indonesia, 2013.
[6]  Dewobroto,  Wiryanto.  Simulasi  Keruntuhan  Balok  Beton  Bertulang  Pendahuluan Perilaku  Keruntuhan  Balok  Beton  Bertulang,.  2005,  Seminar  Nasional  “Rekayasa Material dan Konstruksi Beton 2005”.
[7]  Arslan, Guray. Cracking Shear Strength of RC Slender Beams Without Stirrups. 2008, Journal of Civil Engineering And Management.