KONTRIBUSI SERAT TERHADAP KINERJA KUAT LENTUR EKIVALEN BETON BERSERAT BAJA

Transkripsi

1 Konferensi Nasional Teknik Sipil (KoNTekS ) Jakarta, Mei KONTRIBUSI SERAT TERHADAP KINERJA KUAT LENTUR EKIVALEN BETON BERSERAT BAJA Sholihin As ad Jurusan Teknik Sipil, Universitas Sebelas Maret (UNS-Solo), Jl. Ir. Sutami A, Solo,. s_asad@uns.ac.id ABSTRAK Kuat lentur ekivalen didefinisikan sebagai kuat lentur sisa beton berserat baja setelah beton retak dalam menopang beban lentur. Kelebihan beton berserat baja adalah kemampuannya menahan beban dengan kekuatan sisa pasca retaknya beton. Kekuatan sisa ini adalah kontribusi kerja angkur serat baja yang masih menyatukan beton yang telah retak sehingga komposit beton dan serat baja masih menjadi satu kesatuan dan tetap memiliki kekuatan menahan beban. Makalah ini membahas kontribusi serat terhadap kecenderungan kinerja kuat lentur ekivalen beton berserat baja saat menerima pembebanan. Tiga puluh enam benda uji beton serat baja berbentuk balok ukuran x x mm telah diamati dengan uji lentur titik (four point-bending test) di laboratorium pada umur beton hari. Separuh dari benda uji tersebut adalah beton dengan w/c=, yang ditambahkan masing-masing dengan, dan kg serat baja silindrikal ujung berkait (end-hooked) dengan panjang mm DRAMIX RC / BN dan dengan panjang mm DRAMIX RC / BN ke dalam setiap m beton. Separuh benda uji lainnya adalah beton w/c=, yang ditambahkan masing-masing dengan, dan kg serat baja yang sama ke dalam setiap m beton. Hasil pengujian menunjukkan bahwa kurva beban-defleksi benda uji makin membesar dangan meningkatnya kandungan serat pada beton. Pada material komposit beton berserat baja dengan kandungan serat kg/m atau lebih kecil, umumnya material mengalami perlemahan (softening) setelah beton mengalami retak dan hanya memiliki satu garis retak. Peningkatan kandungan serat menjadi, dan kg/m menyebabkan beton berserat baja mengalami perkuatan (hardening) setelah beton luluh/retak sebelum akhirnya kembali melemah setelah melewati nilai defleksi tertentu. Pada benda uji dengan kandungan serat baja dan kg/m muncul pola retak dengan beberapa garis retak yang cenderung menyebar. Kata kunci : beton berserat baja, four point bending test, kuat lentur ekivalen, serat baja. PENDAHULUAN Penggunaan serat baja untuk meningkatkan kinerja beton telah digunakan pada pekerjaan konstruksi sejak tahun di pembangunan lapis dalam terowongan subway Frankfurt, Jerman, sebagai tindak lanjut dari riset yang dilakukan di tahun -an di beberapa Negara (Maidl, ), (Ding,). Sekarang, pemanfaatan beton berserat baja sudah sangat banyak diantaranya pada perkerasan jalan, terowongan, perkuatan lereng, lantai bangunan industri /pergudangan, lantai jembatan dan lain-lain. Ada beberapa keuntungan penggunanaan beton berserat baja. Kinerja beton akan meningkat akibat peningkatan kuat tarik yang umumnya sangat rendah pada beton biasa tanpa serat. Distribusi acak serat di dalam beton akan meningkatkan ketahanan terhadap sejumlah tegangan yang mungkin terjadi dengan arah beban yang tidak teratur, misalnya ketahanan terhadap beban gempa dan angin. Serat berkontribusi pada perbaikan perilaku deformasi beton seperti ketahanan terhadap impak, daktilitas yang lebih besar, kuat lentur dan kapasitas torsi yang lebih baik. Serat akan meningkatkan ketahahan beton pada resiko pengelupasan (spalling) dan retak pada selimut beton sehingga membantu menghambat korosi tulangan (Imam et. al.,), (Zollo,), (As ad,). Makalah ini membahas kontribusi serat terhadap kecenderungan kinerja kuat lentur ekivalen beton berserat baja saat menerima pembebanan. Tiga puluh enam benda uji beton berserat baja berbentuk balok diuji kapasitas lentur dan kapasitas lentur ekivalen-nya menggunakan uji pembebanan lentur empat titik (four point bending test). Kuat lentur adalah kemampuan beton berserat baja menerima beban lentur hingga beton mengalami keruntuhan atau retak sedangkan kapasitas lentur ekivalen adalah kemampuan sisa beton berserat baja menerima beban lentur setelah beton mengalami retak pada suatu nilai defleksi benda uji. Benda uji terbuat dari beton yang dicampur serat baja ujung berkait (end-hooked) ukuran panjang mm dan mm dengan dosis yang bervariasi dari kg hingga kg serat baja per meter kubik beton. Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta S -

2 Sholihin As ad. MATERIAL, BENDA UJI DAN PENGUJIAN Material dan Benda Uji Benda uji dibuat dari dua kelompok mutu beton, yaitu kelompok kuat desak normal, sekitar MPa dengan w/c =, yang selanjutnya disebut beton mutu normal, dan kelompok kuat desak yang tinggi, sekitar - MPa dengan w/c =, yang selanjutnya disebut beton mutu tinggi. Kelompok campuran beton mutu normal dicampur dengan serat baja ujung berkait (end-hooked) dengan panjang mm DRAMIX RC / BN dan mm DRAMIX RC / BN masing-masing dengan dosis, dan kg serat per meter kubik beton. Sedangkan kelompok campuran beton mutu tinggi dicampur dengan jenis serat yang sama, masing-masing dengan dosis,, dan kg serat per meter kubik beton. Proporsi campuran beton disajikan dalam Tabel. Bentuk dan spesifikasi serat baja dapat dilihat di Gambar. Tabel. Proporsi campuran beton Kuat desak normal Kuat desak tinggi Material Porsi N H [kg/m ] [kg/m ] Cement type II/A-M (SL).. Abu terbang.. Agregat - mm halus %.. - mm %.. - mm %.. - mm %.. w/b.. air.. superplasticizer.. (Addiment FM-) TABIX RC / BN Bentuk End-hooked Material Baja Panjang (l) mm Diameter (d), mm Aspect ratio (l/d) Kuat tarik N/mm TABIX RC / BN Bentuk End-hooked Material Baja Panjang (l) mm Diameter (d), mm Aspect ratio (l/d) Kuat tarik N/mm Gambar. Serat baja ujung berkait (end-hooked) dan ukuran geometrinya Setiap campuran dibuat tiga benda uji balok dengan ukuran mm x mm x mm. Tersedia sebanyak benda uji dengan variasi campuran beton berserat baja. Tabel menyajikan daftar balok benda uji. Pengujian kuat lentur mengacu Austrian Guidelines for Fiber Reinforced Concrete (Richtlinie Faserbeton) [OeVBB]. Menurut standard ini, kuat lentur, f ct,merupakan kemampuan beton serat baja menahan tegangan beban lentur saat beton mengalami retak. Sedangkan kuat lentur ekivalen dinyatakan dalam dua keadaan, f eqms yaitu kapasistas kuat lentur ekivalen pada defleksi, mm dan f eqmu yaitu kapasistas kuat lentur ekivalen pada defleksi,, mm, beton berserat baja. S - Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta

3 Kontribusi Serat Terhadap Kinerja Kuat Lentur Ekivalen Beton Berserat Baja Pengujian Tabel.Benda uji Benda Uji panjang serat aspec Dosis serat Mutu Kuat jumlah ratio (l/d) Desak benda uji [mm] [kg/m] N//DRA Normal N//DRA Normal N//DRA Normal N//DRA Normal N//DRA Normal N//DRA Normal H//DRA Tinggi H//DRA Tinggi H//DRA Tinggi H//DRA Tinggi H//DRA Tinggi H//DRA Tinggi Pengujian pembebanan lentur empat titik (four point bending test) dilakukan setelah usia campuran beton hari. Sistem pembebanan dan konfigurasi pengujian di laboratorium disajikan pada Gambar. Kecepatan pembebanan benda uji adalah, mm / menit (Richtlinie Faserbeton,). Mesin beban dan sensor defleksi balok dihubungkan dengan dengan mesin akuisisi data digital dan kurva beban vs. defleksi balok dapat dipantau melalui monitor komputer. (a) (b) (c) Gambar. (a) Sketsa pembebanan pengujian kuat lentur dengan empat titik pada balok benda uji (b) Pengujian kuat lentur empat titik pada balok benda uji di laboratorium (c) Pengamatan defleksi dan retak pada balok benda uji dengan sensor defleksi Kurva hubungan beban dan defleksi selanjutnnya digunakan untuk menentukan kuat lentur (f ct ) dan kuat lentur ekivalen (f eqms ) dan (f eqmu ) dengan persamaan berikut : Pu. Ls f ct = () ( b. d ) P,. Ls f eqms = () ( b. d ) P,,. Ls f e qmu = () ( b. d ) P u = beban puncak saat beton pertama kali retak, P, = beban saat benda pada defleksi, mm. Ls = panjang bentang beban ( mm), b, d = lebar penampang dan tinggi penampang balok benda uji ( mm dan mm). Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta S -

4 Sholihin As ad P,-, = beban ekivalen dari kerja benda uji pada defleksi, mm hingga, mm yang ditentukan dari persamaan berikut A,,,, = () P [ Ls /] A,-, adalah besar kerja (energi absorbsi) benda uji saat pembeban dengan defleksi, mm hingga, mm.. HASIL DAN DISKUSI Gambar dan Gambar menyajikan kurva hubungan beban vs. defleksi benda uji. Semua benda uji mencatat adanya kekuatan sisa setelah beton mengalami runtuh atau retak. Kekuatan pasca beton retak tersebut adalah kontribusi dari ikatan serat dengan beton dengan sistem angkur yang mengambil alih perlawanan terhadap tegangan tarik pada balok. beban [kn] DRAMIX RC / BN, SFRNC, w/c =, N//DRA N//DRA N//DRA defleksi [mm] beban [kn] DRAMIX RC / BN, SFRNC, w/c =, N//DRA N//DRA N//DRA defleksi [mm] (a) serat baja mm (b) serat baja mm Gambar. Kurva rata-rata beban -defleksi benda uji beton mutu normal dengan beberapa dosis serat beban [kn] DRAMIX RC / BN, SFRHC, w/c =, H//DRA H//DRA H//DRA defleksi [mm] beban [kn] DRAMIX RC / BN, SFRHC, w/c =, H//DRA H//DRA H//DRA defleksi [mm] (a) serat baja mm (b) serat baja mm Gambar. Kurva rata-rata beban-defleksi benda uji beton mutu tinggi dengan beberapa dosis serat Setelah beton mengalami keruntuhan, kandungan serat mempengaruhi kecenderungan kurva beban-defleksi benda uji. Pada beton mutu tinggi, kandungan serat yang tergolong tinggi, dan kg serat baja per meter kubik beton, S - Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta

5 Kontribusi Serat Terhadap Kinerja Kuat Lentur Ekivalen Beton Berserat Baja mencatat perkuatan material (hardening) setelah beton runtuh akibat kerja serat yang akhirnya melemah lagi setelah benda uji mencapai nilai defleksi tertentu. Kecenderungan yang sama terjadi pada benda uji beton mutu normal dengan kandungan serat yang lebih rendah, kg serat baja per meter kubik beton. (a) (b) Gambar. (a) Pola retak lebih dari satu garis retak dan menyebar pada benda uji dengan kandungan serat dan kg/m (b) Pola retak tunggal pada benda uji dengan kandungan serat dan kg/m Peningkatan kekuatan (hardening) material pasca beton retak pada beton mutu tinggi dengan kandungan serat tergolong sangat tinggi, kg serat per meter kubik beton, memunculkan pola retak dengan beberapa garis retak. Hal ini berbeda dengan pola retak pada benda uji yang mengalami perlemahan (softening) pada benda uji dengan kandungan serat tergolong rendah dan sedang, - kg serat per meter kubik beton, yang hanya memiliki pola retak tunggal. Pada benda uji dengan kandungan serat yang tinggi, sekalipun retak beton saat kuat tarik beton terlampaui, kombinasi perlawanan sisa beton dengan ikatan komposit serat baja dan beton cenderung menunjukkan peningkatan kekuatan (hardening) material. Bersamaan dengan itu, di bagian lain dari benda uji juga mengalami peningkatan tegangan, akibatnya muncul retak beton baru selain dari retak beton yang pertama. Fenomena ini menyebabkan munculkan retak ganda, dua garis retak atau lebih pada beton, sebagaimana pada Gambar (a). Hal ini berbeda dengan kecenderungan pola retak tunggal pada benda uji dengan kandungan serat yang rendah sekitar kg serat per meter kubik beton yang mengalami perlemahan material setelah beton retak. [N/mm ] fct feqms feqmu Beton mutu normal dengan DRAMIX RC / BN [N-DRA] dosis serat [kg/m ] [N/mm ] fct feqms feqmu Beton mutu tinggi dengan DRAMIX RC / BN [H-DRA] dosis serat [kg/m ] Gambar. Pengaruh dosis serat terhadap kuat lentur (f ct ), kuat lentur ekivalen (f eqms ) dan kuat lentur ekivalen (f eqmu ) pada benda uji beton mutu normal dan mutu tinggi dengan kandungan serat pendek DRAMIX RC / BN Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta S -

6 Sholihin As ad [N/mm ] fct feqms feqmu Beton mutu normal dengan DRAMIX RC / BN [N-DRA] dosis serat [kg/m ] [N/mm ] fct feqms feqmu Beton mutu tinggi dengan DRAMIX RC / BN [H-DRA] dosis serat [kg/m ] Gambar. Pengaruh dosis serat terhadap kuat lentur (f ct ), kuat lentur ekivalen (f eqms ) dan kuat lentur ekivalen (f eqmu ) pada benda uji beton mutu normal dan mutu tinggi dengan kandungan serat panjang DRAMIX RC / BN Kuat lentur (f ct ), kuat lentur ekivalen (f eqms ) dan kuat lentur ekivalen (f eqmu ) dari semua benda uji selanjutnya dihitung dari kurva beban vs. defleksi dengan menggunakan persamaan (),() dan (). Gambar dan Gambar menunjukkan pengaruh dosis serat terhadap kuat lentur dan kuat lentur ekivalen benda uji. Terlihat adanya peningkatan kuat lentur yang cukup signifikan pada beton mutu tinggi. Dosis serat cukup signifikan meningkatkan kuat lentur dan kuat lentur ekivalen beton serat baja. Tetapi kecenderungan ini tidak sama pada beton mutu normal dimana hanya kuat lentur ekivalen meningkat dengan dengan bertambahnnya dosis serat sedangkan kuat lentur-nya relatif hampir sama. Peningkatan kuat lentur ekivalen beton berserat baja adalah hasil interaksi antara ikatan beton dengan baja sebelum retak dan pada pasca retaknya beton. Saat beton runtuh atau retak terjadi proses pengangkuran serat baja terhadap retakan beton yang memungkinkan material beton masih dalam kesatuan. Proses pengangkuran ini akan terus berlangsung sampai proses cabut serat dari beton selesai. Karenanya kekuatan pengangkuran serat baja terhadap retakan beton dan proses cabut serat baja dari beton sangat menentukan kapasitas beban benda uji dalam bentuk kuat lentur ekivalen (As ad et.al.,), (As ad.,). Jumlah serat aktif yang bekerja sebagai angkur pada bidang retak, Gambar (a), menentukan kemampuan benda uji menerima beban setelah beton mengalami retak. (a) (b) (c) Gambar. (a) Ikatan serat baja denga beton sebagai kerja pengangkuran pasca beton retak (b) Daerah retak beton serat baja dengan ikatan angkur serat baja (c) Potongan penampang melintan benda uji Setelah pelaksanaan uji pembebanan lentur empat titik (four point bending test), dilakukan pemeriksaan jumlah serat pada bidang retak benda uji. Gambar (b) dan (c) adalah potongan dan penampang daerah bidang retak benda uji dengan serat aktif di dalamnya. Gambar dan Gambar menunjukkan hubungan jumlah serat aktif di bidang retak dengan kuat lentur f ct dan kuat lentur ekivalen f eqms dan f eqmu. Jumlah serat aktif di bidang retak secara signifikan mempengaruhi kuat lentur ekivalen f eqms dan f eqmu beton berserat baja. Kecenderungan ini sedikit berbeda dengan perubahan kuat lentur (f ct ) yang tidak menunjukkan konsistensi peningkatan yang signifikan dengan S - Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta

7 Kontribusi Serat Terhadap Kinerja Kuat Lentur Ekivalen Beton Berserat Baja bertambahnya jumlah serat dalam bidang retak benda uji, kecuali pada benda uji yang terbuat dari beton mutu tinggi yang sedikit meningkat dengan bertambahnya jumlah serat.. fct [N/mm ] y =,x +, R =, N//DRA N//DRA N//DRA feqms [N/mm ] y =,x +, R =, N//DRA N//DRA N//DRA feqmu [N/mm ] y =,x +, R =, N//DRA N//DRA N//DRA fct [N/mm ] y =,x +, R =, H//DRA H//DRA H//DRA feqms [N/mm ] y =,x+, R =, H//DRA H//DRA H//DRA feqmu [N/mm ] y =,x+, R =, H//DRA H//DRA H//DRA Gambar. Hubungan antara kuat lentur (f ct ) dan kuat lentur ekivalen (f eqms ) dan (f eqmu ) dengan jumlah serat di bidang retak pada benda uji beton serat dengan kandungan serat panjang DRAMIX RC / BN fct [N/mm ] fct [N/mm ] y =,x +, R =, y=,x +, R =, N//DRA N//DRA N//DRA H//DRA H//DRA H//DRA feqms [N/mm ] feqms [N/mm ] y =,x, R =, N//DRA N//DRA N//DRA y =,+, R =, H//DRA H//DRA H//DRA feqmu [N/mm ] feqmu [N/mm ] y =,x, R =, N//DRA N//DRA N//DRA y =,x, R =, H//DRA H//DRA H//DRA Gambar. Hubungan antara kuat lentur (f ct ) dan kuat lentur ekivalen (f eqms ) dan (f eqmu ) dengan jumlah serat di bidang retak pada benda uji beton serat dengan kandungan serat pendek DRAMIX RC / BN Peningkatan kuat lentur (f ct ) pada beton mutu tinggi berserat baja sangat mungkin disebabkan oleh efek lekatan dan pengangkuran serat baja yang lebih baik dibandingkan pada beton mutu normal (As ad, ). Lekatan yang kuat antara serat baja dan beton menyebabkan kapasitas tarik beton berserat baja menjadi lebih kuat pula sehingga keluluhan/retak beton cenderung terjadi pada beban yang lebih tinggi dibandingkan dengan beton tanpa serat. Sedangkan kuat lentur ekivalen (f eqms ) dan (f eqmu ) sangat tergantung dari gaya tahanan cabut (pullout) serat dari beton. Saat beton mulai luluh/retak akibat tegangan lentur, serat aktif di bidang retak menahan beban tarik hingga proses cabut serat dari beton selesai. Asad () melaporkan hasil uji cabut serat baja yang lebih baik pada beton Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta S -

8 Sholihin As ad mutu tinggi dibandingkan pada beton mutu normal. Hal ini menyebabkan tahanan terhadap tegangan tarik lebih besar yang pada akhirnya berkontribusi signifikan pada peningkatan kuat lentur ekivalen beton berserat baja.. KESIMPULAN Kesimpulan dari pengamatan dan uraian pada pekerjaan ini adalah: a. Kuat lentur ekivalen beton berserat baja meningkat dengan meningkatnya dosis serat baja yang dicampurkan ke dalam beton. Ikatan serat dengan beton bekerja sebagai sistem angkur yang menyatukan retakan beton sehingga material komposit beton berserat baja tetap mampu menahan beban sekalipun beton telah runtuh/retak,. Dengan demikian, semakin banyak serat yang berada dalam daerah retak beton semakin besar pula daya dukung beton berserat baja setelah beton retak yang dinyatakan sebagai kuat lentur ekivalen(f eqms dan f eqmu ). b. Kuat lentur ekivalen (f eqms dan f eqmu ) meningkat lebih tinggi dibandingkan dengan lentur ekivalen (f ct ) akibat peningkatan kandungan serat di daerah retak benda uji beton berserat baja. c. Jumlah serat dalam beton menentukan kecenderungan perilaku material setelah beton runtuh/retak. Material beton berserat baja dengan kandungan serat yang cukup tinggi cenderung mengalami peningkatan kekuatan (hardening) setelah beton retak, kemudian akhirnya melemah seiring dengan berjalannya proses cabut (pullout) serat dari beton. Fenomena ini terjadi karena beberapa serat di sekitar bidang retak baru mulai aktif bekerja saat beton mulai retak. Sedangkan pada beton serat baja dengan kandungan serat yang sedikit, umunya beton cenderung mengalami penurunan kekuatan (softening) setelah beton luluh/retak. d. Beton serat baja dengan kuat lentur ekivalen tergolong tinggi yang mengalami peningkatan kekuatan (hardening) cenderung memunculkan pola retak lebih dari satu garis retak dan menyebar. Peningkatan kekuatan beton berserat baja setelah beton luluh/retak akan meningkatkan tegangan lentur di bagian lain benda uji. yang melebihi kapasitas lentur beton. Akibatnya, muncul retakan baru yang letaknya tidak jauh dari retakan pertama. Pola ini tidak ditemukan pada beton serat baja dengan kuat lentur ekivalen yang tergolong rendah karena penurunan kekuatan (softening) setelah beton retak tidak pernah memunculkan tegangan yang lebih tinggi dibandingkan dengan tegangan saat beton mengalami retak pertama kali. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Dr. A. Saxer dan Prof. W. Lukas, University of Innsbruck atas dukungan dana, saran dan kritik selama pelaksanaan pengujian ini di Laboratory of Concrete Technology, University of Innsbruck Austria. DAFTAR PUSTAKA (), Richtlinie Faserbeton, Oesterreichishe Vereinigung fuer Beton und Bautechnik (OeVBB), Wien Asad, S. (), Equivalent flexural strength of steel fibre reinforced concrete and its modelling from fibre distribution and fibre pullout load, Dissertation, Faculty of Civil Engineering, University of Innsbruck, Austria. Asad, S and Saxer, A (), Influence of fibre geometry on flexural strength behavior of steel fibre reinforced concrete, Proceeding th International conference on fibre concrete, Fibre Concrete, Czech Technical University (CTU), Prague. pp.-. Asad, S. (), Teknologi Beton Serat, Potret Hasil Karya Iptek, tahun UNS Mengabdi Bangsa, UNS press, Solo, hal -. Ding, Y () Eigenschaften von Faserbeton und Faserspritzbeton, Ibidem Verlag, Stuttgart. Imam, M, Vandewalle, L., Mortelmans, F. and Van Gemert,D. (), Shear domain of fibre-reinforced highstrength concrete beams, Journal Engineering Structures, Vol. No., pp. -. Maidl R. B. (), Steel Fibre Reinforced Concrete, Ernst & Sohn Verlag fuer Architektur und technischewissenschaften, Berlin. Zollo, R. F. (), Fibre-reinforced Concrete, an Overview after Years of Development, Journal Cement and Concrete Composite, Vol, pp.-. S - Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta