Studi Perkuatan Struktur Gedung Kuliah STPMD Yogyakarta dengan Menggunakan Material E-Glass Fiber Reinforced Polymer (E-GFRP)

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK SIPIL POMITS Vol., No. (03) -6 Studi Perkuatan Struktur Gedung Kuliah STPMD Yogyakarta dengan Menggunakan Material E-Glass Fiber Reinforced Polymer (E-GFRP) Michael Deardo Gibson Simamora, Prof.Tavio, ST. MT. Ph.D Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60 tavio@its.ac.id Abstrak - Demi alasan keamanaan dan kenyamanaan penguna gedung STPMD Yogyakarta yang dibangun pada tahun 965, maka gedung tersebut harus dianalisis kembali sesuai dengan peraturan gempa yang terbaru. Berdasarkan analisis yang telah dilakukan dengan peraturan gempa RSNI x diketahui bahwa kolom lantai gedung kuliah sekolah tinggi pembangunan masyarakat desa STPMD Yogyakarta tidak sanggup untuk menahan beban rencana. Hal ini dilakukan untuk meminimalisasi korban jiwa dan korban harta benda apabila terjadi gempa pada masa yang akan datang, terlebih pada kolom lantai satu didapat kuat tekan rata-rata adalah 8 Mpa (berdasarkan hasil pengujian hammer test yang dilakukan oleh Lab. Struktur Beton D3 Teknik Sipil Universitas Gadjah Mada) tidak memenuhi persyaratan untuk beton yaitu 0 MPa. Makalah ini akan merencanakan perkuatan pada gedung kuliah STPMD Yogyakarta baik kerusakan lentur, geser atau kombinasi antara keduanya dengan menggunakan metode penyelubungan material fiber berbahan E-GFRP. Metode perkuatan ini merupakan salah satu metode perkuatan kolom yang dilakukan dengan menyelubungi kolom dengan material fiber berbahan glass di seluruh penampang kolom. Metode E- GFRP ini perlu dianalisis detail untuk membuktikan bahwa hasil dari perkuatan kolom tersebut memenuhi syarat dan sesuai ketentuan yang berlaku (ACI-440-R-0 Guide for Design of Externally Bonded FRP). Sehingga dapat dipastikan secara analisis bahwa kolom hasil jacketing tersebut mampu memikul beban rencana. Jadi, perlu dibuat diagram interaksi kolom dan analisis kemampuan kolom dengan melapisi material fiber berbahan glass sehingga dapat dinformasikan kemampuan kolom tersebut dalam memikul beban aksial, geser dan lentur. Kata kunci : ACI-440-R-0 Guide for Design of Externally Bonded FRP, E-GFRP jacketing, Perkuatan kolom beton bertulang. G I. PENDAHULUAN edung kuliah Sekolah Tinggi Pembangunan Masyarakat Desa (STPMD) Yogyakarta adalah salah satu bangunan yang dibangun pada tahun 965. Peraturan yang digunakan pada waktu perencanaan bangunan tidak seperti peraturan sekarang yang sudah mengatur tentang perhitungan beban gempa. Berdasarkan hasil hammer test pada lantai satu diperoleh kuat tekan rata-rata adalah 8 MPa. Hasil hammer test ini tidak memenuhi persyaratan untuk beton yaitu 0 Mpa []. Jika komponen bangunan terutama kolom tidak mampu menerima beban rencana dan tetap dipergunakan maka perkuatan (strengthening) harus dilakukan, agar kolom tersebut mampu menahan beban-beban yang terjadi di masa yang akan datang. Dengan melihat kondisi yang ada maka perlu dilakukan tindakan perkuatan (strengthening) agar bangunan layak digunakan kembali. Salah satu metode perkuatan struktur beton yang sedang berkembang saat ini adalah adalah dengan menggunakan material E-GFRP (E- Glass Fiber Reinforced Polymer). Sesuai dengan latar belakang yang telah disampaikan di atas, dalam makalah ini penulis akan merencanakan perkuatan kerusakan struktur kolom pada Sekolah STPMD baik kerusakan lentur, geser atau kombinasi antara keduanya dengan menggunakan material E-GFRP. Material perkuatan glass fiber menyelimuti kolom di seluruh penampang kolom. Metode perkuatan kolom dengan material E-GFRP ini perlu dianalisis lebih detail untuk membuktikan bahwa hasil dari perkuatan kolom tersebut memenuhi syarat dan sesuai ketentuan yang berlaku. Sehingga dapat dibuktikan secara analisis bahwa kolom hasil perkuatan tersebut mampu memikul beban rencana. II. TINJAUAN PUSTAKA A. Umum Perkuatan (strengthening) pada struktur bangunan adalah suatu tindakan modifikasi struktur yang sudah ataupun belum mengalami kerusakan, dengan tujuan untuk menaikkan kekuatan atau daktilitas struktur []. Elemen struktur beton yang dapat diperkuat dengan FRP adalah balok, pelat, dan kolom beton bertulang. Suatu kolom beton bertulang yang menerima beban aksial tekan secara konsentris, maka akan menderita tegangan tekan dan regangan yang sama besarnya pada seluruh penampang kolom. Beton dan baja tulangan longitudinal bekerja sama dalam menahan tegangan ini. Jika kolom tersebut diberi perkuatan lembaran FRP (FRP Wrap) yang dipasang mengelilingi penampang kolom, maka beban aksial pada kolom akan dipikul bersama-sama antara beton, tulangan longitudinal, dan FRP [3]. B. Metode Perkuatan Metode perkuatan kolom yang akan dilakukan adalah perkuatan dengan material E-GFRP yaitu metode perkuatan kolom yang dilakukan dengan cara menyelimuti kolom yang sudah berdiri (existing column) dengan lembaran E- GFRP di seluruh penampang kolom

2 JURNAL TEKNIK SIPIL POMITS Vol., No. (03) -6 Gambar. Menunjukkan perkuatan kolom dengan material FRP Gambar. Perkuatan dengan FRP Jacketing III. METODOLOGI Penyelesaian makalah ini, dilakukan dengan tahap-tahap pengerjaan yang digambarkan pada gambar. Gambar. Diagram Alir Pengerjaan Makalah IV. ANALISIS STRUKTUR EKSISTING Analisis struktur eksisting dilakukan berdasarkan peraturan gempa terbaru RSNI-76-0x dan pembebanan berdasarkan PPIUG 983. A. Data Struktur Eksisting Data gedung eksisting sebagai berikut : a. Nama gedung : STPMD Yogyakarta b. Lokasi : Kota Yogyakarta c. Fungsi bangunan : Sekolah d. Tinggi bangunan : meter (3 lantai) e. Luas bangunan : 6 x 4 m f. Struktur bangunan : Beton bertulang g. Penutup atap : Beton bertulang h. Balok induk : 300x600 mm i. Dimensi kolom : x mm j. Tulangan kolom : D9 k. Sengkang kolom : P0-50 l. Mutu beton (f c ) : 8 MPa m. Mutu baja (f y ) : 350 MPa B. Gaya Gempa Struktur Eksisting Pembebanan gempa digunakan berdasarkan metode statik ekuivalent dan metode Respons Spectrum [4]. Gaya gempa lateral (F x ) yang timbul di semua tingkat harus ditentukan dengan persamaan k Wxhx F x = C vx V dengan Cv = x n k W h n= C vx : Faktor distribusi vertikal V : Gaya gempa dasar struktur (Kg) h i dan h x : Tinggi dari dasar ke lantai ke i atau x Perhitungan gaya gempa tiap tingkat(f i ), ditabelkan pada Tabel. Tabel. Distribusi Beban Gempa Static Ekuivalent (V) Lantai Wi (Kg) hi (m) k Wi hi k Cv Fi (Kg) V (Kg) Atap Untuk mendapat gaya geser Respons Spectrum digunakan program bantu analisis struktur komersil. Dari hasil analisa struktur diperoleh gaya geser Respons Spectrum seperti pada Tabel. Tabel. Gaya Geser Dasar Ragam (Vt) Tipe beban gempa 00% 30% Gempa R. Spektrum X (Kg) Gempa R. Spektrum Y (Kg) Kombinasi respons untuk gaya geser dasar ragam dinamik (Vt) lebih besar dari 85 persen gaya geser dasar statik (V) [4]. 0,85 V = 0, ,4 Kg = 76.50,4 Kg V t arah x = ,49 Kg > 76.50,4 Kg... (ok) V t arah y = ,53 Kg > 76.50,4 Kg... (ok) i

3 JURNAL TEKNIK SIPIL POMITS Vol., No. (03) -6 3 C. Kontrol Simpangan dan Partisipasi Massa Simpangan antar lantai tingkat disain ( ) seperti ditentukan tidak boleh melebihi simpangan antar lantai tingkat ijin ( a) untuk semua tingkat []. Kontrol simpangan antara lantai dapat dilihat pada Tabel dan Tabel 3. Tabel. Kontrol Kinerja Batas Struktur Akibat Beban Gempa Arah Sumbu X Lantai hi (mm) δxe (mm) δx(mm) Δ (mm) Δa (mm) Δa/ρ Ket Δ < Δa/ρ Atap ok not ok ok Tabel 3. Kontrol Kinerja Batas Struktur Akibat Beban Gempa Arah Sumbu Y Lantai hi (mm) δxe (mm) δx(mm) Δ (mm) Δa (mm) Δa/ρ Ket Δ< Δa/ρ Atap ok ok ok V. ANALISIS KOLOM EKSISTING Denah kolom eksisting ditunjukkan pada Gambar C30 B C D 4000 C3 C35 C36 C3 C38 C39 C33 C34 C5 C6 C7 C8 C9 A C6 C7 C C C8 C3 C4 C9 C C E F G H C4 C5 C C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C0 C3 C0 I 6000 B. Kondisi Terbebani Eksentris Kolom Eksisting Prinsip-prinsip pada balok mengenai distribuasi tegangan dan blok tegangan segiempat ekuivalent dapat diterapkan pada kolom terbebani eksentris seperti pada Gambar 5. 86,5 7 86,5 D9 Geometri kolom d 3 4 c=78, ec = 0,003 Gambar 5. Geometri Kolom, Regangan, Tegangan Kolom Eksisting (Terbebani Eksentris) Kolom eksisting akan dianalisis dengan menggunakan program analisis kolom komersil. Dari hasil program analisis struktur komersil didapat gaya dalam maksimal pada kolom lantai satu ditunjukkan pada Tabel 4. Tabel 4. Beban Aksial Dan Momen Lentur Kolom C6 Eksisting Antara Lt. Dasar Dan Lt. (As 4-A) No Kombinasi beban Axial (kn) My Mx Momen (knm) Momen 33 (knm).4 BS +.4 D BS +.D +.6L BS +.D + L + RSPX BS +.D + L - RSPX BS +.D + L + RSPY BS +.D + L - RSPY BS D + RSPX BS D - RSPX BS D + RSPY BS D - RSPY Diagram interaksi kolom C6 dapat dilihat pada Gambar 6 dan Gambar 7. es3 es4 es a=36,3 es Regangan 0,85.f'c. Cs 3 Cs 4 Tegangan Cs Cs Gambar 3. Denah Kolom Eksisting A. Kondisi Terbebanai Sentris Kolom Eksisting Beban sentris menyebabkan tegangan tekan yang merata di seluruh bagian penampang yang menyebabkan saat terjadi keruntuhan, tegangan dan reganganya akan merata diseluruh bagian penampang seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4. ec = 0,003 0,85.f'c. 86,5 7 D9 d 3 C Cs Cs Cs 3 86,5 4 Cs 4 Geometri kolom Regangan Tegangan Gambar 4. Geometri Kolom, Regangan, Tegangan Kolom Eksisting (Terbebani Sentris) Gambar 6. Diagram interaksi kolom C6 (As 4-A) eksisting antara lt.dasar dan lt. sumbu Mx

4 JURNAL TEKNIK SIPIL POMITS Vol., No. (03) -6 4 Gambar 7. Diagram Interaksi Kolom C6 (As 4-A) Eksisting antara Lt.Dasar Dan Lt. Sumbu My Dari diagram interaksi di atas dapat diketahui bahwa kapasitas kolom eksisting C6 (As 4-A) tidak sanggup untuk menahan momen yang bekerja pada arah sumbu x dan sumbu y. Dari analisis yang telah dilakukan kontrol gaya geser memenuhi syarat tetapi persyaratan Strong Column Weak Beam tidak terpenuhi. Maka untuk menambah kekuatan kolom tersebut perlu dilakukan perkuatan kolom VI. ANALISIS KOLOM E-GFRP JACKETING A. Perencanaan Perkuatan Setelah dilakukan analisis terhadap semua kolom lantai satu, ternyata perkuatan akan dilakukan pada 35 buah kolom dari 37 kolom eksisting karena berdasarkan analisis sebelumnya kolom tidak memenuhi persyaratan. Perencanaan E-GFRP jacketing mengacu pada ACI 440.R-0. Direncanakan menggunakan tebal E-GFRP =,58 mm Gambar 8. menyajikan rencana penampang kolom E-GFRP jacketing. 505, D9 Gambar 8. Rencana Penampang Kolom E-GFRP Jacketing Menghitung tegangan beton terkekang menggunakan persamaan [5],5 7,9, (E-GFRP Jacketing) Ø0-50 Beton E-GFRP Jacketing,58 mm keterangan f cc : tegangan beton terkekang (MPa) f l : batasan tekanan akibat E-GFRP jaketing (MPa) fc : kuat tekan beton : regangan efektif dalam perkuatan FRP (mm/mm) : modulus elastisitas dari FRP (MPa) r : jarak pelapisan FRP ke bagian tepi pada penampang persegi atau persegi panjang (mm) minimum jarak r = / inci (3 mm) dari sudut luar.. ƿ.. ƿ.. ƿ! "! #$ % & ' ( % ** ' ** % ** % +, 0,5 ' - '. ' / % +, 0,5 ' /7' 9 ' % +, 3403,74 ** ** ƿ 3403,74 ** ƿ 0, : : 6ƿ ' 39 6 ' 39 3 ' ' 60, ,3959 ƿ / ; 67:9 7 : ƿ ' ',9 ' 69 ' ƿ 0,0064 0,75 < dibatasi 0,004 0,75 ' 0,03 0,00975 Jadi nilai yang dipakai adalah 0,004. Modulus Elastisitas E-GFRP = MPa 4 5. ƿ.. 0,3959 ' 0,0064 ' 0,004 ' , Jadi, CC C,5 7,9 D D,5 CC 8 ',5 7,9 0, ' 0, ,5 CC,908 FGH

5 JURNAL TEKNIK SIPIL POMITS Vol., No. (03) ,6 89,08 7,08 89,08 B. Kondisi Terbebani Sentris Tegangan tekan maksimum kolom beton setelah diperkuat dengan E-GFRP jacketing yang hanya memberikan konstribusi kurungan beton [5] akan digambarkan dalam geometri kolom, diagram regangan dan tegangan (beban sentris) akan digambarkan pada gambar 9. Geometri kolom Regangan Tegangan Gambar 9. Geometri Kolom, Diagram Regangan dan Tegangan Kolom Dengan E-GFRP Jacketing Untuk mengetahui kekuatan axial nominal (ϕ G J ) setelah perkuatan digunakan persamaan [5] ϕ G J 0,80 ϕ [0,85 K D CC L% % +, M+( N % +, )] ϕ G J =0,80 x 0,65[0,85'0,95 ',8 '( ,74)+(350 ' 3403,74)] ϕ G J =.878.,98 N ϕ G J =.878,3 KN keterangan G J = kekuatan axial nominal (N) ɸ = 0,65 (faktor reduksi kekuatan ) K = 0,95 ( Faktor reduksi tambahan untuk perkuatan FRP) D = kekuatan tekan nyata dari beton (MPa) CC % = luas area penampang (mm ) % +, = luas area perkuatan FRP (mm ) N = tegangan leleh baja tulangan (MPa) C. Kondisi Terbebani Eksentris Dicoba dengan nilai c = 50 mm a = 0,85 x c a = 0,85 x 50 mm a = 7,5 mm Geometri kolom, diagram regangan dan tegangan beban eksentris nilai C = 50 mm akan digambarkan sesuai dengan Gambar ,6 D9 505,6 D9 Geometri kolom Regangan ec = 0,004 C 0,004 efe_top C = 50 es a = 7,5 es es3 es4 efe_bottom 0,85.f'cc.B Ce-gfrp_top Tegangan Gambar 0. Geometri Kolom, Diagram Regangan Tegangan Kolom dengan E-GFRPJacketing Cs Cs 3 Cs 4 Ce-gfrp_top Cs Cs Cs3 Cs4 Cs Ce-gfrp_bot Ce-gfrp_bot Ce-gfrp_layer -5 Ce-gfrp layer -5 Ce-gfrp_layer 6-5 Setelah diperkuat dengan E-GFRP jacketing,58 mm, hasil analisis gaya dalam maksimal pada kolom disajikan pada tabel 6. Tabel 6. Beban Aksial dan Momen Lentur Maksimal Kolom 6 antara Lt. Dasar dan Lt. (C6 As 4-A) Mx My No Kombinasi beban Axial (kn) Momen 33 (knm) Momen (knm).4bs +.4 D BS +.D +.6L BS +.D + L + RSPX BS +.D + L - RSPX BS +.D + L + RSPY BS +.D + L - RSPY BS D + RSPX BS D - RSPX BS D + RSPY BS D - RSPY Tabel 7. Nilai c dengan Nilai ɸPn dan ɸMn Kolom E-GFRP Jacketing nilai c Pn Mn nilai Ф Ф Pn Ф Mn

6 JURNAL TEKNIK SIPIL POMITS Vol., No. (03) -6 6 Gambar. Perbandingan Diagram Interaksi Sebelum dan Sesudah Diperkuat E-GFRP Jacketing,58 mm Kolom C6 D. Kontrol Gaya Geser Mengitung gaya geser nominal dapat menggunakan persamaan [5] ɸ V n V u ɸ V n = ɸ. (V c + V s + ψ f.v f ) Keterangan: S J = kekuatan geser nominal (N) V c = kuat geser beton (N) V s = kuat geser baja tulangan (N) V f = kontribusi kekuatan geser dari FRP (N) ψ f =0,95 (faktor reduksi untuk perkuatan yang dilapisi penuh) Kontribusi dari FRP dapat dihitung dengan menggunakan persamaan [5] S! T. U. 6VWX Z [\V 9] ^ E f = Mpa (modulus elastisitas material E-GFRP) ε fu * = 0,0 f fu = C E x f fu * f fu = 740 Mpa ε fu = C E x ε fu * ε fu = 0,75 x 0,0 ε fu = 0,05 ε fe = 0,75 ε fu 0,004 ε fe = 0,75 x 0,05 0,004 ε fe = 0,05 0,004 jadi dipakai ε fe = 0,004 w f = 54 mm = mm d f % _ /; ` A fv = x x,9 mm x 54 mm A fv = 30,64 mm f fe = ε fe x E f f fe = 0,004 x Mpa = 48 MPa f fe S 30,64 ** ' 48 FGH ' 6ab/0cos09' ** 54 ** = N V f fg j Se i' ' 7` ' k 4%h f 8 Se i' ' 300 ' 440,5 4 ' 6300 ' S33.898,87 f 33,898 mf Berdasarkan tulangan terpasang Ф0-50, maka %n' op ' k Sa 6 ' 4 '-' 0 9' 350 ' 440,5 a 50 Sa 6.45,68 f 6,45 mf Syarat Ф.V n > Vu ɸ V n = ɸ x (V c + V s + ψ f.v f ) ɸ V n = 0,85 x (33, ,45 + 0,95 x 38,84) ɸ V n = 559,38 KN Gaya geser yang bekerja di sepanjang bentang kolom (V u ) ditentukan dari Mpr + dan Mpr - balok yang menyatu dengan kolom tersebut. M + pr + M pr 369, + 90,98 Vu = ( ) Vu = ( ) h (4 0.6) in Vu = 64,8 KN Syarat Ф.V n > Vu 559,38 KN > 64,8 KN OK DAFTAR PUSTAKA [] Badan Standar Nasional, 007. Tata Cara Perhitungan Struktur Beton untuk Bangunan Gedung (SNI ) dilengkapi Penjelasan (S-00), ITS Press, Cetakan Pertama. [] Kristiawan.0. Kompatibilitas Susut antara Material Perbaikan dan Beton. Jurnal Teoretis dan Terapan Bidang Rekayasa Sipil Vol. 8 (8). [3] Noorhidana dan A.Vera, 0, Perilaku Kolom Dengan Perkuatan Cfrp Terhadap Beban Aksial Tekan Konsentris, Prosiding : Seminar Nasional Sains & Teknologi IV, Bandar Lampung. [4] Badan Standar Nasional. 00. Tata Cara Perencanaan Ketahanan Gempa untuk Bangunan Gedung (SNI x) [5] American Concrete Institute.00.Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures (ACI 440.R-0). Reported by ACI Committee 440.