ANALISIS MEKANIKA FRAKTUR DIIMPLEMENTASIKAN PADA BETON RINGAN SERAT BAJA DENGAN BUKAAN TARIK TUNGGAL DISERTASI. Oleh AGNES H. PATTY.

Ukuran: px

Mulai penontonan dengan halaman:

Download "ANALISIS MEKANIKA FRAKTUR DIIMPLEMENTASIKAN PADA BETON RINGAN SERAT BAJA DENGAN BUKAAN TARIK TUNGGAL DISERTASI. Oleh AGNES H. PATTY."

Indra Salim
6 tahun lalu
Tontonan:

satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dari Institut Teknologi

1 ANALISIS MEKANIKA FRAKTUR DIIMPLEMENTASIKAN PADA BETON RINGAN SERAT BAJA DENGAN BUKAAN TARIK TUNGGAL DISERTASI Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dari Institut Teknologi Bandung Oleh AGNES H. PATTY Nim : INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2004

3 ABSTRAK DISERTASI Saat ini, beton yang terbuat dari agregat ringan sudah sangat meluas penggunaannya untuk struktur seperti, gedung, jembatan, dan bahkan untuk fasilitas transportasi. Agregat ringan terbuat dari raw material dengan kadar pori yang cukup tinggi dimana modulus elastisitas, kekakuan dan kekerasannya lebih rendah dari agregat normal. Itulah yang menyebabkan kehadiran agregat ringan pada beton tampaknya lebih berfungsi sebagai inklusi didalam matriks pasir-semen. Perbedaan perilaku antara agregat ringan dengan agregat normal, menghasilkan perbedaan mekanisme pada keruntuhan beton. Bila beton dengan agregat normal dibebani oleh beban tekan, pada saat matriks mencapai kuat tariknya dan mulai retak, beban akan diambil alih oleh agregat, dan retak akan menjalar melalui interface zone antara agregat dengan matriks. Mekanisme ini tidak akan terjadi pada beton dengan agregat ringan; dibawah kondisi yang sama retak akan merambat memotong matriks maupun agregat secara cepat. Investigasi ini menyelidiki kemungkinan dikembangkannya potensi leleh pada beton ringan yang biasanya hadir pada material leleh misalnya seperti baja, dengan memperkenalkan efek penjembatanan. Pada beton normal, penjembatanan atau bridging dapat dikembangkan oleh agregat. Aggregate interlocking tidak dijumpai pada beton dengan agregat ringan karena kekakuan agregat lebih rendah dari kekakuan matriks. Dengan pemberian serat sebagai perkuatan maka efek penjembatanan dapat dibangkitkan oleh aksi lekatan antara serat dengan matriks. Bila fraksi volume serat cukup dengan kondisi lekatan yang cukup baik dengan matriksnya, maka retak mikro didepan ujung retak akan cukup solid dan mampu bersifat leleh dibawah nilai tegangan leleh yang lebih besar dari kuat retak atau kuat tarik.

4 Pengujian lentur tiga titik dilakukan untuk mempelajari pengaruh penjembatanan serat terhadap parameter fraktur. Berdasarkan pada parameter ini, kuat leleh dan panjang zona leleh ditentukan. Dengan menggunakan agregat ringan, benda uji berupa mode I geometrically similar beams dibuat. Benda uji terdiri atas beton polos, dan beton serat dengan fraksi volume serat 0.5%, 1.0% dan 1.5%. Bertitik tolak pada hipothesis dari Dugdale dan Barentblatt, tegangan leleh ini akan tetap maintain selama pembentukan zona plastik dengan panjang tertentu, sedemikian rupa untuk pemenuhan kondisi singularitas. Kuat leleh ini ditentukan sebagai nilai terendah pada nilai mana asymptut distribusi tegangan elastik mulai menuju tak hingga. Sebuah prosedur numerik diaplikasikan untuk menentukan panjang zona leleh atau plastik di ujung retak dengan melibatkan kedua prinsip modified crack closure dan integral J. Diperlihatkan bahwa seperti kuat tarik, kuat leleh jelas dipengaruhi oleh fraksi volume serat. Walaupun demikian, peningkatan kuat leleh (karena peningkatan kadar serat) tidak meningkatkan panjang zona plastik. Fenomena ini mengarah pada sebuah kesimpulan bahwa formasi retak mikro didepan ujung retak lebih ditentukan oleh efektifitas lekatan antara serat dengan matriks dari pada oleh kuantitas serat. Hasil lain yang terpantau pada eksperimental ini, adalah bahwa lebar benda uji juga berperanan dalam pengukuran parameter fraktur. Hal ini jelas untuk dipahami, bahwa asumsi plane stress semakin tidak absah pada spesimen yang semakin tebal karena kenyataannya, retak yang merambat kearah lateral tidak tepat lagi untuk diabaikan. Untuk menggambarkan fenomena fatig, pengujian dinamik juga dilakukan terhadap benda uji retak tunggal dengan ukuran tertentu dengan fraksi volume serat 1%. Benda uji untuk pengujian dinamik ini mempunyai ketebalan yang lebih besar dari geometrically similar specimens. Ternyata crack closure phenomenon sebagai akibat

5 plastisitas di ujung retak sangat kuat hadir pada kondisi beban siklik untuk rasio beban R ) 0. Sebuah hasil yang sangat mendasar pada investigasi ini, adalah bahwa pengukuran energi fraktur dari beton (ringan) serat yang dilakukan dengan mengasumsikan material sebagai material yang bersifat elastik-nonlinier, kuasi regas, maupun elastikplastik tetap memberikan output yang cukup akurat selama material mampu untuk mengembangkan deformasi plastik lokal pada ujung retak dibawah titik beban. Fenomena ini terjadi secara signifikan terutama pada benda uji yang lebih besar.

6 ABSTRACT OF DISSERTATION Recently, concrete made of lightweight aggregate has been widely used for structures such as buildings, bridges, even for transportation facilities. Made from raw material with high porosity, lightweight aggregates have a lower strength, and a lower modulus of elasticity than normal aggregates. The existence of this aggregate in concrete seems to function more as an inclusion in the cement-sand matrix Different behaviour between these two kinds of aggregate leads to a different failure mechanism of concrete. If normal aggregate concrete, subjected to compressive load, at the moment the matrix reaches its tensile strength and begin to fracture, load will be transferred to aggregates and crack will propagate through the interface zone between aggregates and matrix. This mechanism will not apply to lightweight aggregate concrete; under the same condition, the crack will expand through the aggregates rather than through the transition zone around the aggregate. This investigation is exploring the possibility of developing a yield potential in lightweight concrete similar to that usually found in yielding materials such as steel, by introducing a bridging effect mechanism. In normal concrete, bridging can be generated by aggregates. Aggregate interlocking cannot exist in lightweight concrete due to the lower stiffness and strength of the aggregate relatively to those of the matrix. By adding fibers as reinforcement, bridging effect may be expected to develop bonding action between fibers and matrix. If the fiber volume fraction is sufficient, then microcracks in front of the crack-tip may perform as a yield mechanism resulting into a yield stress higher than the nominal tensile strength of the concrete. Three-point bending tests were carried out to study the influence of fiber bridging on the fracture parameters. Based on these parameters the yield strength and the length

7 of plastic zone were derived. Specimens conforming to mode I geometrically similar beams using plain concrete and fiber concrete were subsequently tested. Lightweight aggregates were used with fiber volume fraction of 0.5%, 1%, and 1.5%. According to the hypothesis of Dugdale and Barentblatt, this yield stress will maintain as long as the forming of a plastic zone of a certain length proceeds to satisfy the required singularity condition. The yield strength is defined as the lowest elastic stress preceding its infinite value. A numerical procedure was applied to determine the size of the plastic zone. The length of these zone were found by applying both modified crack closure and the J-integral principles. It is shown that yield strength, like tensile strength, is significantly affected by fiber volume fraction. However the increase of yield strength (due to the increase of fiber volume fraction), doesn't increase the length of the plastic zone. Based on this phenomenon it may be concluded that the formation of microcracks is much influenced by the effectiveness of bonding between fiber and matrix rather than by the quantity of fibers. Another result exhibited by this investigation is that the fracture energy increased in case of beams with larger widths. This explains that for thick specimens, the plane stress condition is not valid any longer, because of the fact that the lateral crack can not be ignored. In order to illustrate the fatigue phenomenon, a cyclic load testing was also carried out on a single crack beam specimens of specific dimensions, with 1% fiber volume fraction with a width larger than the geometrically similar beams. Considering the bilinear closing pressure principle, the fatigue energy released rate was determined based on the theory of plastic damage accumulation. It is also shown that crack closure phenomenon, due to crack-tip plasticity, strongly existed under fatigue loading conditions for stress ratios R ) 0.

8 A result of fundamental importance generated by this study is that good agreement was achieved in the measurement of lightweight aggregate fiber concrete fracture energy irrespective whether the material was assumed as non-linear elastic, or quasybrittle, or elastic-plastic material as long as, the specimens are able to develop local plastic deformation in the fracture tip under the point of load application. This phenomenon is of great importance, in particular in larger structures.

dokumen-dokumen yang mirip

PERILAKU BALOK BETON SANDWICH DALAM MENERIMA BEBAN LENTUR TESIS MAGISTER OLEH FIRDAUS

PERILAKU BALOK BETON SANDWICH DALAM MENERIMA BEBAN LENTUR TESIS MAGISTER OLEH FIRDAUS 25098041 BIDANG KHUSUS REKAYASA STRUKTUR PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL PROGRAM PASCA SARJANA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG