Beton Prategang

BETON PRATEGANG

1                                1. Sejarah

Beton adalah suatu bahan yang mempunyai kekuatan yang tinggi terhadap tekan, tetapi sebaliknya mempunyai kekuatan relative sangat rendah terhadap tarik.Beton tidak selamanya bekerja secara efektif didalam penampang-penampang struktur beton bertulang, hanya bagian tertekan saja yang efektif bekerja, sedangkan bagian beton yang retak dibagian yang tertarik tidak bekerja efektif dan hanya merupakan beban mati yang tidak bermanfaat. Hal inilah yang menyebabkan tidak dapatnya diciptakan srtuktur-struktur beton bertulang dengan bentang yang panjang secara ekonomis, karena terlalu banyak beban mati yang tidak efektif. Disampimg itu, retak-retak disekitar baja tulangan bisa berbahaya bagi struktur karena merupakan tempat meresapnya air dan udara luar kedalam baja tulangan sehingga terjadi karatan. Putusnya baja tulangan akibat karatan fatal akibatnya bagi struktur.

Dengan kekurangan-kekurangan yang dirasakan pada struktur beton bertulang seperti diuraikan diatas, timbullah gagasan untuk menggunakan kombinasi-kombinasi bahan beton secara lain, yaitu dengan memberikan pratekanan pada beton melalui kabel baja (tendon) yang ditarik atau biasa disebut beton pratekan. Beton pratekan pertama kali ditemukan oleh Eugene Freyssinet seorang insinyur Perancis. Ia mengemukakan bahwa untuk mengatasi rangkak,relaksasi dan slip pada jangkar kawat atau pada kabel maka digunakan beton dan baja yang bermutu tinggi. Disamping itu ia juga telah menciptakan suatu system panjang kawat dan system penarikan yang baik, yang hingga kini masih dipakai dan terkenal dengan system Freyssinet.

Dengan demikian, Freyssinet telah berhasil menciptakan suatu jenis struktur baru sebagai tandingan dari strktur beton bertulang. Karena penampang beton tidak pernah tertarik, maka seluruh beban dapat dimanfaatkan seluruhnya dan dengan system ini dimungkinkanlah penciptaan struktur-struktur yang langsing dan bentang-bentang yang panjang. Beton pratekan untuk pertama kalinya dilaksanakan besar-besaran dengan sukses oleh Freyssinet pada tahun 1933 di Gare Maritime pelabuhan LeHavre (Perancis). Freyssenet sebagai bapak beton pratekan segera diikuti jejaknya oleh para ahli lain dalam mengembangkan lebih lanjut jenis struktur ini,seperti:

a). Yves Gunyon

Yves Gunyon adalah seorang insinyur Perancis dan telah menerbitkan buku Masterpiecenya “ Beton precontraint” (2 jilid) pada tahun 1951. Beliau memecahkan kesulitan dalam segi perhitungan struktur dari beton pratekan yang diakibatkan oleh gaya-gaya tambahan disebabkan oleh pembesian pratekan pada struktur yang mana dijuluki sebagai “Gaya Parasit” maka Guyon dianggap sebagai yang memberikan dasar dan latar belakang ilmiah dari beton pratekan.

b). T.Y. Lin

T.Y. Lin adalah seorang insinyur kelahiran Taiwan yang merupakan guru besar di California University, Merkovoy. Keberhasilan beliau yaitu mampu memperhitungkan gaya-gaya parasit yang tejadi pada struktur. Ia mengemukakan teorinya pada tahun 1963 tentang “ Load Balancing”. Dengan cara ini kawat atau kabel prategang diberi bentuk dan gaya yang sedemikian rupa sehingga sebagian dari beban rencana yang telah datetapkan dapat diimbangi seutuhnya pada beban seimbang ini. Didalam struktur tidak terjadi lendutan dan karenanya tidak bekerja momen lentur apapun, sedangkan tegangan beton pada penampang struktur bekerja merata. Beban-beban lain diluar beban seimbang (beban vertikal dan horizontal) merupakan “inbalanced load”, yang akibatnya pada struktur dapat dihitung dengan mudah dengan menggunakan teori struktur biasa. Tegangan akhir dalam penampang didapat dengan menggunakan tegangan merata akibat “balanced” dan tegangan lentur akibat “unbalanced load”. Tanpa melalui prosedur rumit dapat dihitung dengan mudah dan cepat. Gagasan ini telah menjurus kepada pemakaian baja tulangan biasa disamping baja prategang, yaitu dimana baja prategang hanya diperuntukkan guna memikul akibat dari inbalanced load.

Teori “inbalanced load” telah mengakibatkan perkembangan yang sangat pesat dalam menggunakan beton pratekan dalam gedung-gedung bertingkat tinggi. Struktur flat slab, struktur shell, dan lain-lain. Terutama di Amerika dewasa ini boleh dikatakan tidak ada gedung bertingkat yang tidak menggunakan beton pratekan didalam strukturnya.

T.Y. Lin juga telah berhasil membuktikan bahwa beton pratekan dapat dipakai dengan aman dalam bangunan-bangunan didaerah gempa, setelah sebelumnya beton pratekan dianggap sebagai bahan yang kurang kenyal (ductile) untuk dipakai didaerah-daerah gempa, tetapi dikombinasikan dengan tulangan baja biasa ternyata beton pratekan cukup kenyal, sehingga dapat memikul dengan baik perubahan-perubahan bentuk yang diakibatkan oleh gempa.

c). P.W. Abeles

P.W. Abeles adalah seorang insinyur Inggris, yang sangat gigih mendongkrak aliran ”full prestressing”, karena penggunaanya tidak kompetitif terhadap penggunaan beton bertulang biasa dengan menggunakan baja tulangan mutu tinggi. Penggunaan full prestressing ini tidak ekonomis, menurut berbagai penelitian biaya struktur dengan beton pratekan dan full prestressing dapat sampai 3,5 atau 4 kali lebih mahal dari pada struktur yang sama tetapi dari beton bertulang biasa dengan menggunakan tulangan baja mutu tinggi. Dengan demikian timbullah gagasan baru yang dikemukakan oleh P.W. Abeles untuk mengkombinasikan prinsip pratekan dengan prinsip penulangan penampang atau dikenal dengan nama “partial prestressing”. Yang mana didalam penampang diijinkan diadakannya bagi tulangan, lebar retak dapat dikombinasikan dengan baik.

“Partial prestressing” telah disetujui oleh Chief Engineer’s Departement untuk digunakan pada jembatan-jembatan kereta api di Inggris, dimana tegangan tarik boleh terjadi sampai 45 kg/cm2 dengan lebar retak yang dikendalikan dengan memasang baja tulangan biasa. Freyssinet sendiri menjelang akhir karirnya telah mengakui juga bahwa “partial prestressing” mengembangkan struktur-struktur tertentu. Begitupun dengan teori “load balancing” dari T.W. Lin yang ikut mendorong dipakainya “partial prestressing” karena pertimbangannya kecuali segi ekonomis juga segi praktisnya bagi perencanaan.

2.      Aplikasi

Penggunaan sistem prategang pada elemen struktural linier adalah dengan memberikan gaya konsentris atau eksentris dalam arah longitudinal. Gaya ini mencegah berkembangnya retak dengan cara mengeliminasi atau sangat mengurangi tegangan tarik di bagian tumpuan dan daerah kritis pada kondisi beban kerja, sehingga dapat meningkatkan kapasitas lentur, geser, dan torsional penampang tersebut.

 

Selain itu, pemberian tegangan (stressing) juga digunakan pada cerobong reaktor nuklir, pipa, dan tangki cairan, yang pada dasarnya mengikuti prinsip-prinsip dasar yang sama dengan pemberian prategang linier. Tegangan melingkar pada struktur silindris atau kubah menetralisir tegangan tarik di serat terluar dari permukaan kurvilinier yang disebabkan oleh tekanan kandungan internal.

  

Struktur beton prategang mempunyai beberapa keuntungan, antara lain :

a)         Terhindarnya retak terbuka di daerah tarik, jadi lebih tahan terhadap keadaan korosif.

b)        Kedap air, cocok untuk pipa dan tangki.

c)         Karena terbentuknya lawan lendut sebelum beban rencana bekerja, maka lendutan akhirnya akan lebih kecil dibandingkan pada beton bertulang.

d)        Penampang struktur lebih kecil/langsing, sebab seluruh luas penampang dipakai secara efektif.

e)         Jumlah berat baja prategang jauh lebih kecil dibandingkan jumlah berat besi beton biasa.

f)         Ketahanan gesek balok dan ketahanan puntirnya bertambah. Maka struktur dengan bentang besar dapat langsing. Tetapi ini menyebabkan Natural Frequency dari struktur berkurang, sehingga menjadi dinamis instabil akibat getaran gempa/angin, kecuali bila struktur itu memiliki redaman yang cukup atau kekakuannya ditambah.

Adapun kekurangan dari penggunaan beton prategang adalah :

a)      Dengan ketahanan gesek balok dan ketahanan puntirnya bertambah, maka struktur dengan bentang besar dapat langsing. Tetapi ini menyebabkan natural frequency dari struktur berkurang, sehingga menjadi dinamis instabil akibat getaran gempa/angin, kecuali bila struktur itu memiliki redaman yang cukup atau kekakuannya ditambah.

b)      Penggunaan bahan-bahan bermutu tinggi mengakibatkan harga satuan pekerjaan menjadi lebih tinggi.

c)      Pengerjaan membutuhkan menuntut ketelitian yang lebih tinggi dan pengawasan yang lebih ketat dari pelaksana ahli.

3.      Sifat-Sifat Bahan

a)      Beton

Untuk beton pratekan diperlukan mutu beton yang tinggi (min K-300) karena mempunyai sifat penyusutan dan rangkak yang rendah mempunyai modulus elastisitas dan modulus tekan yang tinggi serta dapat menerima tegangan yang lebih besar dibandingkan beton mutu rendah,. Sifat-sifat ini sangat penting untuk menghindarkan kehilangan tegangan yang cukup besar akibat sifat-sifat beton tersebut.

b)     Baja Prategang

Baja mutu tinggi merupakan bahan yang umum dipakai pada struktur beton prategang. Baja untuk beton prategang terdiri dari:

·           Kawat baja

Kawat baja disediakan dalam bentuk gulungan, kawat dipotong dengan panjang tertentu dan dipasang di pabrik atau lapangan. Baja harus bebas dari lemak untuk menjamin rekatan antara beton dengan baja prategang.

            ·           Untaian kawat (strand)

Kekuatan batas strand ada 2 jenis yaitu 1720 MPa dan 1860 MPa, yang lazim dipakai adalah strand dengan 7 kawat.

                                 

Tabel spesifikasi strand 7 kawat

Ø Nominal (mm)	Luas Nominal mm2	Kuat Putus (kN)
6,35	23,22	40
7,94	37,42	64,5
9,53	51,61	89
11,11	69,68	120,1
12,70	92,9	160,1
15,24	139,35	240,2

·           Batang Baja

Batang baja yang digunakan untuk beton prategang disyaratkan pada ASTM A 322, kekuatan batas minimum adalah 1000 MPa. Modulus elastisitas 1,72 10⁵ – 1,93.10⁵ MPa. Batang baja mutu tinggi tersedia pada panjang sekitar 24 m. Batang-batang baja tersedia sampai Ø 34,9 mm.

Seperti yang telah diketahui bahwa beton adalah suatu material yang tahan terhadap tekanan, akan tetapi tidak tahan terhadap tarikan. Sedangkan baja adalah suatu material yang sangat tahan terhadap tarikan. Dengan mengkombinasikan antara beton dan baja dimana nanti akan disebut sebagai beton bertulang ( reinforced concrete ). Jadi pada beton bertulang, beton hanya memikul tegangan tekan, sedangkan tegangan tarik dipikul oleh baja sebagai penulangan ( rebar ). Sehingga pada beton bertulang, penampang beton tidak 100% efektif digunakan, karena bagian yang tertarik tidak diperhitungkan sebagai pemikul tegangan. Hal ini dapat dilihat pada sketsa gambar disamping.

Suatu penampang beton bertulang dimana penampang beton yang diperhitungkan untuk memikul tegangan tekan adalah bagian diatas garis netral ( bagian yang diarsir ), sedangkan bagian dibawah garis netral adalah bagian tarik yang tidak diperhitungkan untuk memikul gaya tarik karena beton tidak tahan terhadap tegangan tarik. Gaya tarik pada beton bertulang dipikul oleh besi penulangan ( rebar ). Kelemahan lain dari konstruksi beton bertulang adalah berat sendiri ( self weight ) yang besar, yaitu 2.400 kg/m3 , dapat dibayangkan berapa berat penampang yang tidak diperhitungkan untuk memikul tegangan ( bagian tarik ).

Untuk mengatasi ini pada beton diberi tekanan awal sebelum beban-beban bekerja, sehingga seluruh penampang beton dalam keadaan tertekan seluruhnya, inilah yang kemudian disebut beton pratekan atau beton prategang ( prestressed concrete ). Perbedaan utama antara beton bertulang dengan beton pratekan adalah cara kerjanya. Cara kerja beton bertulang adalah mengkombinasikan antara beton dan baja tulangan dengan membiarkan kedua material tersebut bekerja sendiri-sendiri, dimana beton memikul tekan dan tulangan baja memikul tarik. Sedangkan beton pratekan mempunyai cara kerja dengan mengkombinasikan beton dan tulangan baja secara aktif. Cara aktif ini dapat dicapai dengan cara menarik baja yang menahannya ke beton, sehingga beton dalam keadaan tertekan.

Kelebihan beton pratekan :

1.Tahan terhadap korosi karena tahan retak di daerah tarik

2.Lebih kedap air

3.Lendutan lebih kecil

4.Penampang lebih kecil dari beton bertulang biasa/ volume lebih kecil

5.Berat baja yang digunakan lebih sedikit

6.Ketahanan geser dan puntir lebih besar

Kekurangan beton pratekan :

1.Berat jenis sedikit lebih besar

Prinsip Dasar Beton Pratekan

Beton pratekan dapat didefinisikan sebagai beton yang diberikan tegangan tekan internal sedemikian rupa sehingga dapat meng-eleminir tegangan tarik yang terjadi akibat beban eksternal sampai suatu batas tertentu. Ada 3 ( tiga ) konsep yang dapat dipergunakan untuk menjelaskan dan menganalisa sifat-sifat dasar dari beton pratekan atau prategang :

1.Sistem pratekan/prategang untuk mengubah beton yang getas menjadi bahan yang elastis.

2.Sistem pratekan untuk kombinasi baja mutu tinggi dan beton mutu tinggi

3.Sistem prategang untuk mencapai keseimbangan beban

Metode Prategangan

Pada dasarnya ada 2 macam metode pemberian gaya prategang pada beton, yaitu :

• Pratarik ( Pre-Tension Method ) Cara kerja metode ini baja prategan diberi gaya prategang dahulu sebelum beton dicor, oleh karena itu disebut pre-tension method. Setelah gaya prategang ditransfer ke beton, balok beton tersebut akan melengkung ke atas sebelum menerima beban kerja. Setelah beban kerja bekerja, maka balok beton tersebut akan rata
• Pasca tarik ( Post-Tension Method ) Pada metode pascatarik, beton dicor terlebih dahulu, dimana sebelumnya telah disiapkan saluran kabel atau endon yang disebut duct. Karena alasan transportasi dari pabrik beton ke site, maka biasanya beton prategang dengan sistem post-tension ini dilaksanakan segmental ( balok dibagi-bagi, misalnya dengan panjang 1 -1,5 m ), kemudian pemberian gaya prategang dilaksanakan di site, setelah balok segmental tersebut dirangkai.