PERILAKU KEKUATAN LEKATAN ANTARA TULANGAN BETON DENGAN PCM SHOTCRETE

Transkripsi

1 Konferensi Nasional Teknik Sipil 4 (KoNTekS 4) Sanur-Bali, 2-3 Juni 2010 PERILAKU KEKUATAN LEKATAN ANTARA TULANGAN BETON DENGAN PCM SHOTCRETE A. Arwin Amiruddin 1 1 Departemen Teknik Sipil, Universitas Hasanuddin Makassar, Jl. Perintis Kemerdekaan Km.10 Makassar a.arwinamiruddin@yahoo.com ABSTRAK Untuk menambah keamanan terhadap gempa pada struktur jembatan seperti gempa yang terjadi pada Hyoko-ken-nanbu tahun 1995 di Jepang maka dewasa ini diperkenalkan kode perencanaan baru dan sistem pengamanan gempa pada struktur jembatan. Komponen-komponen deformasi pada pilar jembatan akibat gempa dibedakan dalam deformasi karena akibat pullout, lentur dan geser. Kemampuan lekatan antara tulangan dengan beton untuk menahan terjadinya slip saat terjadinya gempa adalah ditinjau dalam studi ini. Olehnya itu, untuk meningkatkan kemampuan lekatan dipergunakan material polymer cement mortar (PCM) dengan metode Shotcrete. Dengan menggunakan PCM sebagai pembungkus (retrofit) pada pilar jembatan tidak hanya meningkatkan kekuatan lekatan, tetapi juga memberikan ketahanan terhadap terjadinya korosi dan ber-nilai ekonomis dikarenakan ketebalan dari pilar setelah retrofit menjadi lebih langsing 1/5 kali dibandingkan dengan menggunakan beton sebagai konvensional retrofit method. Didasarkan pada JSCE (Japan Society of Civil Engineers) G , maka kekuatan lekatan dievaluasi. Dalam penelitian ini, PCM yang dipergunakan adalah ber-kekuatan tinggi (high strength) dan ber-elastisitas rendah (low elasticity). Melalui percobaan pullout diperoleh hasil bahwa kemampuan lekatan antara tulangan beton dengan PCM ber-kekuatan tinggi terjadi pada beban tarik maksimum sebesar 118kN dibandingkan dengan PCM ber-elastisitas rendah sebesar 43kN dan beton normal sebesar 105kN. Kata kunci: polymer cement mortar (PCM) dengan metode shotcrete, pullout 1. PENDAHULUAN Penggunaaan material pembungkus (retrofit) sudah diperkenalkan dan dikembangkan di California dan Jepang. Tujuan dari retrofit adalah mencegah terjadinya kegagalan geser premature pada desain pier jembatan didasarkan pada desain awal tahun 1971 di California dan desain awal tahun 1980 di Jepang. Setelah gempa Hyoko-ken nanbu (H-k-n), 29,400 pilar jembatan di-retrofit. Terdapat 3 macam metode retrofit pada pilar jembatan, yaitu retrofit dengan beton (concrete), retrofit dengan pelat besi (steel jacketing), dan retrofit dengan Fiber Reinforced Plastics (FRP) sheet. Diantara ke-3 macam type retrofit, memiliki kelebihan dan kelemahan baik ditinjau dari segi biaya, waktu kerja maupun ketebalan dari pilar setelah retrofit. Pilar beton Pilar beton Spasi beton(89m m ) Tulangan memanjang(22m m ) Tulangan m elintang(16m m ) Tebal selim ut(123m m ) Tebal beton baru(250m m ) (a) Retrofit dengan beton Tulangan memanjang(22m m ) Tulangan m elintang(16m m ) Tebal selim ut(16m m ) Tebal PCM Shotcrete(54m m ) (b) Retrofit dengan PCM Shotcrete Gambar 1. Pilar beton di-retrofit dengan (a) beton dan (b) PCM Shotcrete Universitas Udayana Universitas Pelita Harapan Jakarta Universitas Atma Jaya Yogyakarta S - 273

2 A. Arwin Amiruddin Menggunakan beton sebagai material retrofit pada pilar beton akan memberikan ketebalan baru meningkat menjadi 250mm dan jika hal ini dipertahankan sampai masa yang akan datang maka ketidak-ekonomisan dari metode ini akan nampak. Olehnya itu, untuk mengurangi ketebalan beton baru tetapi memiliki kekuatan (strength), ketahanan terhadap korosi maka dipergunakanlah polymer cement mortar (PCM) sebagai material retrofit baru. Dengan PCM, ketebalan dari pilar beton hanya menjadi 54mm atau lebih langsing 1/5 kali dari retrofit dengan beton seperti terlihat pada Gambar 1. PCM adalah dibuat dengan mencampurkan sebagian cement hydrate binders dari konvensional semen mortar dengan polymer. PCM dalam penggunaannya dibedakan menjadi PCM ber-kekuatan tinggi (high strength) dan PCM ber-elastisitas rendah (low elasticity). PCM ber-elastisitas rendah biasanya dipergunakan untuk memperbaiki slab bridge, di bawah permukaan (under surfaces) dan main girder bridge. Sementara itu, untuk PCM ber-kekuatan tinggi dipergunakan untuk meminimais korosi dari besi tulangan dan untuk memperbaiki pilar beton, normal tunnel, aqueduct tunnel, box culvert dan dinding (wall). Ada 2 metode dalam melekatkan PCM ke permukaan beton, yaitu dengan metode plester dan metode menembak (shotcrete). Untuk metode shotcrete dibedakan dengan 2 cara, yaitu campuran kering (dry-mix shotcrete) dan campuran basah (wet-mix shotcrete). Adapun keuntungan dengan menggunakan metode shotcrete ini adalah lekatan yang baik (excellent bonding), berkekuatan tinggi, absorbsi yang rendah, baik untuk melindungi dari serangan kimia (korosi), pengerjaan relatif mudah, dan biaya relatif rendah. Sehingga, perlu diadakan studi tentang perilaku lekatan antara besi tulangan beton dengan PCM shotcrete untuk mengevaluasi efek dari PCM shotcrete dalam meningkatkan kekuatan lekatan dibandingkan dengan beton konvensional melalui pengujian pullout. 2. MATERIAL BENDA UJI Peningkatan kapasitas lekatan antara besi tulangan beton dengan PCM adalah penting untuk mengetahui efek dari aksi penulangan terhadap peningkatan kemampuan menahan gaya gempa. Untuk mendukung ini, maka diadakan studi dengan membuat material benda uji yang dibedakan menjadi 3 type dan masing-masing type terdiri dari 3 benda uji, yaitu type 1 beton normal, type 2 PCM ber-kekuatan tinggi, dan type 3 PCM ber-elastisitas rendah. Pada material benda uji, di dalam material blok dibagi untuk daerah yang dilekatkan (adhesive length), l 1 sebesar 4D (D:diameter tulangan) atau 88mm dan daerah yang tidak dilekatkan (non-adhesive length), l 2 sebesar 62mm. Besi tulangan yang digunakan ber-diameter 22mm (D22:SD345). Untuk meningkatkan kekakuan dalam material blok, digunakan tulangan berbentuk spiral dengan diameter 6mm (D6:SD295A). Bentuk dari benda uji terdiri dari pada sebelah ujung bebas (sedikit di atas material blok) diberi bebas dengan panjang 10mm sebagai tempat displacement control untuk mengukur besarnya slip pada setiap peningkatan beban tarik. Pada jarak 1200mm dari ujung atas dijepit agar tidak terjadi momen pada saat terjadi peningkatan beban tarik. Dimensi dari material blok benda uji adalah 150mm x 150mm x 150mm. Material benda uji dapat dilihat pada Tabel 1 dan Gambar 2 di bawah ini. Type Material Blok Diameter (mm) Tabel 1. Material benda uji Dimensi (B 1 xb 2 xb 3 ) Panjang lekatan l 1, (mm) Panjang tidak dilekatkan l 2, (mm) 1 Beton normal D22 150x150x PCM kekuatan tinggi D22 150x150x PCM elastisitas rendah D22 150x150x Umur (hari) besi tulangan D22:SD345 Vinyl chloride tube (non-adhesive) spiral D6:SD295A l2 l1 bebas10mm beton normal or PCM Gambar 2. Bentuk material benda uji S Universitas Udayana Universitas Pelita Harapan Jakarta Universitas Atma Jaya Yogyakarta

3 Perilaku Kekuatan Lekatan Antara Tulangan Beton Dengan Pcm Shotcrete 3. PROGRAM PENGUJIAN Benda uji dites dengan cara pullout seperti terlihat pada Gambar 3. Benda uji diletakkan pada load cell dengan sebuah pusat lubang (hole) sehingga besi tulangan D22 dapat dihubungkan terhadap sebuah chain melalui lubang dari load cell. Load cell ditempatkan pada bagian jepit, sementara lubang dihubungkan dengan bagian yang bergerak (moveable part). Ketika bagian yang bergerak bergerak turun untuk menarik besi tulangan ke bawah terhadap material blok dalam hal ini beton normal atau PCM, maka pullout akan terjadi. Untuk mengukur slip pada daerah bebas di ujung besi tulangan yang dikeluarkan dari material blok dihubungkan dengan displacement control dan ditempatkan di daerah ini. Pengukuran direkam oleh data loger untuk proses selanjutnya. displacement material block Load cell Fix bar Moveable bar strain Chain gauges Anchor of chain (a) Alat pullout dan sistem pembebanan (b) Prototipe dari alat Gambar 3. (a) Alat pullout dan sistem pembebanan, (b) Prototipe dari alat Beban (kn) Regangan (µ) Type-1 Type-2 Type-3 Gambar 4. Hubungan antara beban dan regangan Universitas Udayana Universitas Pelita Harapan Jakarta Universitas Atma Jaya Yogyakarta S - 275

4 A. Arwin Amiruddin 4. PEMBAHASAN DAN DISKUSI Pada pengujian dengan pullout, diukur nilai regangan dari besi tulangan dengan memasang strain gauge. Dari hasil pengujian seperti pada Gambar 4 diperoleh bahwa pada type 1 regangan besi tulangan sampai pada 1,320µ pada beban tarik maksimum 105kN. Untuk type 2, regangan besi tulangan sampai pada 1,480µ dengan beban tarik maksimum 118kN dan type 3 memiliki regangan besi tulangan sampai pada 800µ dengan beban tarik maksimum 43kN. Disaat yang bersamaan, kemampuan lekatan antara besi tulangan beton dengan beton dan PCM dievaluasi berdasarkan kekuatan tarik maksimum yang terjadi pada masing-masing type. Gambar 5 menjelaskan tentang perilaku lekatan yang digambarkan dari hubungan antara beban tarik maksimum dengan slip yang terjadi. Didasarkan dari hasil pengujian diperoleh bahwa setelah beban tarik diberikan ke material benda uji, kurva cenderung untuk linier sampai pada lekatan awal (initial debonding). Pada saat initial debonding, lekatan (debonding) terjadi sepanjang besi tulangan yang dilekatkan dalam material blok, dan tegangan (stress) berangsurangsur menurun seperti terlihat jelas pada gambar. Setelah tegangan menurun secara berangsur-angsur, lekatan terlepas (complete debonding) terjadi. Beban berlanjut berkurang menuju 0kN sampai benar-benar terjadi besi tulangan pullout dari material blok (fully pullout). Dari hasil pengujian menunjukkan kekuatan tekan dari beton normal dan PCM (kekuatan tinggi dan elastisitas rendah) menentukan besarnya peningkatan kekuatan lekatan dengan besi tulangan. Pada beban tarik type 2 (PCM kekuatan tinggi) memiliki kekuatan tarik maksimum terbesar dengan 118kN dengan slip 1.27mm, sedangkan untuk type 2 (PCM elastisitas rendah) 43kN dengan slip 1.98mm. Sementara untuk type 1 (beton normal) memiliki kekuatan tarik maksimum sebesar 105kN dengan slip yang terjadi 1.64mm. Desain dilakukan dengan mengacu pada JSCE-G untuk menentukan besarnya kekuatan lekatan seperti terlihat pada Gambar 6 yang akan dibandingkan dengan hasil pengujian melalui pullout. Besarnya nilai kekuatan lekatan dihitung berdasarkan persamaan berikut: P = 4πD τ 2 α... (1) dengan τ = distribusi tegangan geser (N/mm 2 ), P = beban tarik (kn), D = diameter dari besi tulangan (mm), α = nilai konstanta dari beton (f`c, N/mm 2 ) sebagai berikut: α = 30 f `c... (2) Beban (kn) Slip (mm) Gambar 5. Hubungan beban dengan slip Type-1, D22 Type-2, D22 Type-3, D22 S Universitas Udayana Universitas Pelita Harapan Jakarta Universitas Atma Jaya Yogyakarta

5 Perilaku Kekuatan Lekatan Antara Tulangan Beton Dengan Pcm Shotcrete Pengujian JSCE-G Kekuatan lekatan (N/mm 2 ) Type-1 Type-2 Type-3 Gambar 6. Perbandingan kekuatan lekatan antara pengujian dengan JSCE-G Tabel 2. Rekapitulasi hasil pengujian pullout Jenis Beban tarik maksimum (kn) Kekuatan tekan (N/mm 2 ) Desain dari kekuatan tekan (N/mm 2 ) Kekuatan lekatan (N/mm 2 ) Desain dari kekuatan lekatan (N/mm 2 ) * * diperoleh dari persamaan (1) dan (2) Berdasarkan dari hasil pengujian pullout diperoleh bahwa kekuatan lekatan pada type 2 (PCM kekuatan tinggi) lebih besar dari type-type lainnya. Untuk type 1, type 2, dan type 3 adalah 17.2N/mm 2, 19.4N/mm 2, dan 7.08 N/mm 2. Besarnya kekuatan lekatan ditentukan oleh besarnya nilai kekuatan tekan material blok-nya seperti terlihat pada Tabel 2 di atas. 5. KESIMPULAN Secara garis besar dari hasil studi tentang perilaku kekuatan lekatan antara tulangan beton dengan beton dan PCM shotcrete diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Besarnya kekuatan lekatan tergantung dari besarnya kekuatan tekan dari material blok. 2. PCM kekuatan tinggi memiliki kekuatan tarik dan kekuatan lekatan lebih besar, yaitu 118kN dan 19.4N/mm 2 dari type-type lainnya. 3. Untuk type 1, type 2, dan type 3 dengan besi tulangan kesemuanya terjadi pullout. Universitas Udayana Universitas Pelita Harapan Jakarta Universitas Atma Jaya Yogyakarta S - 277

6 A. Arwin Amiruddin 6. DAFTAR PUSTAKA JSCE (Japan Society of Civil Engineers) Standard (2005), Standard Specifications for Concrete Structures, Test Method and Specifications, pp Nishiyabu, K., Yokohama, A., Zako, M. (1998), Evaluation of Stress Transfer Mechanism in Single Fiber Pull-Out Test by Numerical Analysis, Society of Material Science Journal, Vol.47, No.6, Japan, pp Shima, H., Chou, L. L., Okamura, H. (1987), Micro and Macro Models for Bond in Reinforced Concrete, Journal of The Faculty Of Engineering, The University of Tokyo, Vol. XXXIX, No.2, Tokyo, Japan, pp Xue, W., Wang, X., Zhang, S. (2008), Bond Properties of High-Strength Carbon Fiber-Reinforced Polymer Strands, ACI Material Journal, Vol.105, No.1, pp Yamaguchi, K., Hino, S., Nakamura, S., Amiruddin, A. (2008), Study on Bond Characteristics of Existing RC Pier s Interface used Mortar for Shotcrete, Japan Concrete Institute (JCI), Vol.30, No.3, Fukuoka, Japan, pp Watanabe, H., Hino, S., Yamaguchi, K., Amiruddin, A. (2009), Experimental Research into Adhesion Strength in CFRP Grid where Contact, Japan Concrete Institute (JCI), Vol.31, No.2, Sapporo, Japan, pp S Universitas Udayana Universitas Pelita Harapan Jakarta Universitas Atma Jaya Yogyakarta