BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1. Beton Serat (Fibre Concrete) II.1.1. Pengertian Beton Serat Salah satu bahan tambah beton ialah serat (fibre). Beton yang diberi bahan tambah serat disebut beton serat (fibre reinforced concrete). Beton serat merupakan campuran beton ditambah serat. Bahan serat dapat berupa serat asbestos, serat plastik (poly-propyline), atau potongan kawat baja, serat tumbuhtumbuhan (rami, sabut kelapa, bambu, ijuk) (Trimulyono, 2004). Karena ditambah serat, maka menjadi suatu bahan komposit yaitu beton dan serat. Dalam sifat fisik beton, penambahan serat menyebabkan perubahan terhadap sifat beton tersebut. Dibandingkan dengan beton yang bermutu sama tanpa serat, maka beton dengan serat membuatnya menjadi lebih kaku sehingga memperkecil nilai slump serta membuat waktu ikat awal lebih cepat juga. Serat baja dapat berupa potongan-potongan kawat atau dibuat khusus dengan permukaan halus / rata atau deform, lurus atau bengkok untuk memperbesar lekatan dengan betonnya. Serat baja akan berkarat dipermukaan beton, namun akan sangat awet jika didalam beton. II.1.2. Fungsi Penambahan Serat Penambahan serat kawat kedalam adukan beton adalah untuk untuk mengatasi sifat-sifat kurang baik dari beton. Ide dasar penambahan serat adalah memberikan tulangan serat pada beton yang disebar merata secara acak 8

2 (random)untuk mencegah retak-retak yang terjadi akibat pembebanan (Sudarmoko,1990). Dari penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa dengan menambahkan fiber kedalam adukan beton maka selain kemampuan untuk menahan lentur ditingkatkan, sekaligus daktilitasnya (kemampuan menyerap energi) secara dramatis juga meningkat (Suhendro,1990). Selain itu juga dengan menambahkan serat fiber kedalam adukan beton maka akan mempertinggi kuat tarik beton. (Sudarmoko,1991) Dalam penelitian yang dilakukan oleh Swammy dkk, 1979 (dalam Sudarmoko, 1990) menyimpulkan bahwa kehadiran serat (fiber) pada beton akan menaikkan kekakuan dan mengurangi lendutan (defleksi) yang terjadi. Penambahan serat (fiber)juga dapat meningkatkan keliatan beton, sehingga struktur akan terhindar dari keruntuhan yang tiba-tiba akibat pembebanan yang berlebihan. II.1.3. Kelebihan dan Kekurangan Beton Serat berikut: Adapun kelebihan dan kekurangan penggunaan beton serat adalah sebagai Kelebihan Penggunaan Serat a. Dapat meningkatkan kuat lentur beton. b. Kemungkinan terjadi segregasi kecil. c. Daktilitas (kemampuan menyerap energi) juga meningkat. 9

3 d. Tahan benturan. e. Retak-retak yang terjadi dapat direduksi. f. Beton menjadi lebih kaku. g. Meningkatkan kuat tarik, kuat tekan dan kuat desak beton. Kekurangan Penggunaan Serat a. Biaya menjadi lebih mahal karena adanya penambahan material yang berupa serat. b. Proses pengerjaan lebih sulit dari beton biasa. II.1.4. Fiber Fiber untuk campuran beton dapat dibedakan menjadi empat jenis, yaitu : 1. Fiber metal, misalnya serat besi dan serat strainless stell. 2. Fiber polymeric, misalnya serat polypropylene dan serat nylon. 3. Fiber mineral, misalnya fiberglass. 4. Fiber alam, misalnya serabut kelapa dan serabut nenas. II Fiber Baja Steel fiber didefenisikan sebagai bagian kecil yang rata atau ber gelombang baja dingin; bagian rata atau bergelombang potongan baja; leburan ekstrak serat atau serat baja lainnya yang sangat kecil tersebar merata dalam campuran beton segar, dengan aspek rasio, yaitu panjang serat dibagi dengan 10

4 diameter serat, l/d antara 12,7 mm sampai 63,5 mm (ACI 544.3R-84) dengan tegangan tarik rata rata f u, tidak kurang dari 345 MPa ( ASTM-A820 ). Berdasarkan ASTM-A820, terdapat empat tipe umum serat baja yang digunakan sebagai material, yaitu tipe I kawat dingin; tipe II potongan tipis; tipe III leburan ekstrak serta tipe IV serat jenis lainnya. Dalam ACI 544.1R (1982) disebutkan bahwa hasil penelitian pembebanan statis (static strength) dengan menggunakan serat baja sampai 4 % terhadap volume beton dapat meningkatkan retak awal sebanyak 2,5 kali pada benda uji under reinforced dan sedikit meningkatkan kuat tekan; meningkatkan kuat tarik belah sebanyak 2,5 kali untuk kandungan serat 3 % dan sebanyak 2 kali untuk kandungan serat 2 %. Secara umum serat dapat meningkatkan daktilitas beton bertulang, tergantung dari bentuk dan jumlah kandungan serat. Pada penelitian ini dipakai fiber baja dengan tipe hooked. Banyak fiber baja yang dipakai adalah 2% dari berat semen. Gambar 2.1. berbagai tipe fiber baja 11

5 II Fiber Bendrat Pada penelitian Suhendro, dipelajari pengaruh penambahan fiber lokal (yang berupa potongan kawat yang murah harganya dan banyak tersedia di Indonesia) kedalam adukan beton mengenai daktilitas, kuat desak dan impact resistance beton fiber yang dihasilkan. Fiber lokal tersebut dimaksudkan untuk menggantikan steel fiber yang telah dipakai diluar negeri. Tiga jenis kawat lokal yaitu kawat baja, kawat bendrat dan kawat biasa yang berdiameter ± 1 mm dipotong potong dengan panjang ± 6 cm dan dijadikan sebagai fiber. Konsentrasi fiber yang diteliti adalah 0,5 dan 1 %. Diameter kerikil maksimal yang dipakai adalah 2 cm karena akan mempermudah penyebaran fiber kawat bendrat secara merata kedalam adukan beton. Faktor air semen 0,55. Dari hasil pengujian terhadap benda benda uji disimpulkan dengan adanya serat pada beton dapat mencegah retak-retak rambut menjadi retakan yang lebih besar. Dengan penambahan serat pada adukan beton ternyata dapat meningkatkan ketahanan terhadap daktilitas, beban kejut (impact resistance) dan kuat desak. Tingkat perbaikannya tidak kalah dengan hasil hasil yang dilaporkan diluar negeri dengan menambahkan steel fiber yang asli. Beberapa hal yang perlu mendapat perhatian khusus pada beton fiber ini adalah masalah fiber dispersion atau teknik pencampuran adukan agar fiber yang ditambahkan dapat tersebar merata dengan orientasi yang random dalam beton dan masalah kelecakan (workability) adukan. Secara umum dapat dijelaskan bahwa dengan memodifikasikan proporsi adukan (misalnya dengan menambah superplasticizer ataupun memperkecil diameter maksimum agregat). Dan memodifikasi teknik pencampuran adukan (mixing technique) maka masalah fiber 12

6 dispersion dapat diatasi. Untuk masalah workability, secara umum dapat pula dikatakan bahwa workability akan menurun seiring dengan makin banyaknya prosentase fiber yang ditambahkan dan makin besarnya rasio kelangsingan fiber (Suhendro, 1991). Pedoman untuk mengatasi kedua masalah tersebut yang menyangkut pedoman perincian, perbandingan, campuran, pengecoran dan penyelesaian beton fiber baja, telah dilaporkan oleh ACI Committee 544 (1993). Pada penelitian ini dipakai serat bendrat dengan panjang 60mm. Perbandingan volume yang diambil adalah 2% dari berat semen. Gambar 2.2. bentuk fiber bendrat yang digunakan II.2. Teori Analisa Penampang Beton Bertulang Asumsi-asumsi dalam analisis beton (keadaan batas) : 1. Penampang yang semula rata akan tetap rata setelah terjadi deformasi atau perubahan bentuk sampai beton mengalami kehancuran dan tetap tegak lurus pada sumbu konstruksi (asas Bernouli). 13

7 2. Regangan-regangan di dalam penampang dianggap berbanding lurus dengan jaraknya ke garis netral (asas Navier). 3. Pada keadaan batas tegangan tekan beton tidak sebanding dengan regangannya. Bentuk dari blok tegangan tekan beton (dilihat pada penampang) berupa garis lengkung yang dimulai pada garis netral dan berakhir pada serat tepi yang tertekan, dimana tegangan tekan maksimum sebagai kekuatan tekan lentur beton pada umumnya tidak terjadi pada serat tepi. 4. Ikatan antara beton dan tulangan akan tetap dipertahankan sampai saat kehancuran. Dalam hal ini berarti regangan yang terjadi di dalam beton sama dengan regangan yang terjadi di dalam baja tulangan (εc = εs). 5. Diagram tegangan regangan beton sesuai pada grafik dan regangan maksimum yang terjadi di dalam beton, εec ( max. ) adalah 0,003. Gambar 2.3. Grafik tegangan-regangan beton dan besi Bila regangan lebih kecil dari (regangan leleh) diperoleh hubungan linier antara tegangan dan regangan : ƒ y = x Es untuk 14

8 Setelah dicapai titik leleh berlaku rumus ƒ c = ƒ y untuk > Tegangan di dalam tulangan tidak boleh melebihi tegangan leleh besi / baja Suatu penampang dengan kondisi seperti di bawah: Gambar 2.4. Diagram tegangan- regangan beton bertulang tanpa beban Segera setelah tegangan tarik hancur beton tercapai pada serat balok yang tertarik, retak rambut akan terbentuk diawali dari dasar balok dan menjalar sampai pada penampang netral. Gaya normal yang bekerja pada penampang berupa tegangan tekan beton f c di atas garis netral dan tegangan tarik tulangan fy dibawah garis netral. Gambar 2.5. Diagram tegangan-regangan beton bertulang sebelum runtuh 15

9 Pada penampang yang dilakukan penambahan beban, retak-retak pada daerah tertarik akan meningkat cepat sebagai akibat melelehnya tulangan. Gambar 2.6. Diagram tegangan-regangan beton bertulang pasca runtuh Kehancuran gelagar akan terjadi karena: 1. Regangan betin diserat teratas (serat tertekan) mancapai maksimum 0, Regangan tulangan dan tegangan tulangan sama dengan tegangan leleh fy. Gambar 2.7. Tegangan dalam beton bertulang 16

10 Distribusi tegangan beton akan menyerupai diagram tegangan-regangan beton yang sebenarnya dan tidak linier. Sesaat setelah mencapai 0,003 beton akan hancur pada serat-serat teratas, tepat pada penampang kritis gelagar. Tegangan spesifik f c tidak terjadi pada serat balok teratas, tetapi sedikit kebawah diasumsikan bahwa tulangan meleleh terlebih dahulu, maka beban pada kondisi inilah yang merupakan beban terbesar yang dapat dipikul balok, dan penampang dikatakan telah mencapai kondisi kekuatan batasnya. Letak garis netral c yang tidak diketahui, dan dapat dihitung dengan keseimbangan gaya dalam T = C bila anggapan tulangan meleleh maka T =As x fy, sedangkan gaya tekan didalam beton dapat dihitung dengan menggunakan integral luasan diagram tegangan.. penyelesaian menggunakan integral selain rumit juga membutuhkan waktu lama, hingga dalam praktiknya sering digunakan suatu penyederhanaan distribusi tegangan berupa stress block. adalah luas diagram tegangan yag digantikan oleh stress block dengan tegangan merata sebesar 0,85 f c serta kedalaman a dari serat blok teratas nilai merupakan fungsi dari jarak garis netral yang sebenarnya. a = β1.c dimana 0< β1<1 koefisien β1 ini diperoleh dengan mempersamakan luas stress block dengan luas diagram sebenarnya. Gaya tekan beton C pun dapat dihitung : 0,85.. 0,85. 17

11 . 0, ,85. letak titik tangkap gaya tekan C pada diagram yang sebenarnya merupakan pula titik tangkap gaya tekan pada stress block, dan berjarak ½ a = ½ β1.c dari serat teratas. nilai koefisien β1 tergantung pada nilai mutu beton, β1 = 0,85 untuk mutu beton f c 30 Mpa. jika f c > 30 Mpa maka digunakan rumus empiris sebagai berikut: 0,85. (0,005) T = fy. C = 0,85. f c. a. b 0,85.. fy. 0,85.. letak garis netral yang ditentukan, perbandingan antara regangan baja dengan beton maksimum ditetapkan berdasarkan distribusi regangan linier. Letak garis netral tergantung pada jumlah tulangan baja tarik yang dipasang pada suatu penampang. Pada saat beton dalam keadaan underreinforced dimana tulangan baja tarik kurang dari yang diperlukan, maka εs yang diperoleh akan lebih besar dari regangan leleh atau kehancuran balok diawali dengan melelehnya tulangan. Letak garis netral pada kondisi underreinforced berada diatas garis netral pada keadaan seimbang. Pada kondisi overreinforced dimana tulangan baja tarik yang dipasang lebih besar dari yang diperlukan untuk mencapai keseimbangan, letak garis netral bergeser ke bawah. 18

12 kehancuran beton pada kondisi overreinforced akan terjadi keruntuhan secara mendadak. Gambar 2.8. Variasi Letak Garis Netral Pada saat beton hancur, selalu mencapai tegangan fc = 0.85 f c, penambahan luas tulangan akan mengakibatkan perbesaran T dan garis netral akan bergeser ke bawah atau sebaliknya. II.3.Teori Underreinforced, Overreinforced Dan Balance Steel Ratio Sebuah balok yang memiliki perbandingan tulangan yang seimbang adalah balok yang tulangan tariknya secara teoritis akan mulai meleleh dan beton tekannya (compression concrete) mencapai tegangan ultimate pada tingkat beban yang persis sama. Jika balok mempunyai lebih sedikit tulangan daripada yang diperlukan untuk suatu perbandingan seimbang, balok itu disebut underreinforced, jika tulangannya lebih banyak maka balok disebut balok overreinforced. Jika sebuah balok berada dalam keadaan underreinforced dan beban ultimate sudah hampir tercapai, baja akan mulai meleleh meskipun tegangan pada beton tekan masih belum mencapai tegangan ultimate-nya. Jika beban terus 19

13 diperbesar, baja akan terus memanjang sehingga mengakibatkan lendutan dan retak besar pada beton tarik. akibatnya, pengguna struktur akan mengetahui bahwa beban harus dikurangai atau jika tidak struktur akan rusak parah bahkan bias runtuh. Jika beban ditingkatkan lebih jauh lagi, retak tarik akan menjadi lebih besar lagi dan pada akhirnya beton tekan akan mengalami kelebihan tegangan dan runtuh. Jika sebuah balok berada dalam keadaan overreinforced, tulangan tarik tidak akan meleleh sebelum keruntuhan terjadi. Ketika beban bertambah, tidak akan terjadi lendutan meskipun beton tekan telah mengalami kelebihan tegangan sehingga keruntuhan akan terjadi secara tiba-tiba tanpa peringatan bagi para pengguna struktur. balok persegi akan runtuh pada daerah tekan ketika regangan yang terjadi sekitar 0,003 sampai 0,0035 untuk mutu beton biasa. Oleh karena itu situasi overreinforced harus dihindari sebisa mungkin, sehingga para perencana menggunakan situasi underreinforced agar jenis daktail dari keruntuhan akan memberikan waktu menghindar yang cukup. II.4. Geser Dan Lentur Dalam Beton Bertulang Tujuan perencanaan beton bertulang bertujuan untuk menghasilkan batang daktil yang memberikan peringatan dari keruntuhan mendadak. keruntuhan balok bertulang dalam geser adalah sangat berbeda dengan dengan keruntuhan lentur, keruntuhan geser terjadi secara tiba-tiba dengan peringatan kecil atau tanpa peringatan sebelumnya. Oleh karena itu balok direncanakan runtuh dalam lentur, sehingga balok underreinforced akan runtuh secara daktail. Pada balok beton 20

14 bertulang tegangan sebanding dengan regangan, terjadi dua macam tegangan yaitu, tegangan lentur dan tegangan geser. Dan dapat dihitung dengan rumus berikut: Gambar 2.9. hubungan beban dan reaksi Suatu elemen dari balok yang tidak terletak pada serat terekstrim atau sumbu netral akan menerima tegangan lentur dan geser. Tegangan ini merupakan gabungan dari tegangan tekan dan tarik yang miring disebut tegangan utama, arah dari tegangan utama dapat ditentukan dengan rumus berikut dengan α sebagai kemiringan dari tegangan terhadap sumbu balok: Tentu saja pada setiap posisi yang berbeda sepanjang balok nilai v dan f akan berubah, jadi arah dari tegangan utama berubah. dari persamaan di atas dapat dilihat bahwa pada sumbu netral tegangan utama akan berada pada sudut 45 dengan sumbu horizontal. 21

15 II.4.1. Rumusan Gaya Geser Dalam Balok Beton Bertulang contoh suatu keadaan balok dengan pembebanan sebagai berikut: Gambar reaksi Vu Jika Vu dibagi dengan luas balok rata-efektif bwd, hasilnya adalah tegangan geser ratarata. Tegangan ini tidak sama dengan tegangan tarik diagonal tetapi hanya sebagai indicator besarannya, jika nilai indikator ini melampaui nilai tertentu, tulangan geser dianggap perlu.kekuatan geser teoritis batang dilambangkan dalam bentuk Vn, Vn merupakan kontribusi dari kekuatan yang diberikan beton dan tulangan geser.tegangan geser rata-rata harus dikalikan dengan luas balok efektif untuk mendapatkan gaya geser. Vn = Vc + Vs dimana Vc = kekuatan geser nominal sumbangan beton Vs = kekuatan geser nominal sumbangan tulangan geser Vc = 1/6. bw. d vc = Vc / bw.d Vs = s = L / (n-1) 22

16 II.4.2. Lentur Murni Pada Balok Masalah lentur ini ditinjau pada elemen balok dengan penampang persegi dan diberi gaya lentur pada kedua ujungnya. Balok ini memiliki lebar penampang b, ketinggian penampang h seperti gambar 2.4. dengan sumbu simetri dari penampang adalah Cx, Cy. Gambar Penampang dari balok persegi Gambar Balok melengkung pada jari-jari kurvatur bidang yz Sepanjang balok dibengkokkan terhadap bidang yz, gambar dimana sumbu Cz pada pertengahan balok tidak mengalami tarikan sehingga membentuk jari-jari kurvatur R. Kita menganggap panjang elemen balok, pada keadaan tidak terbebani, AB dan FD yang merupakan bagian melintang dari sumbu memanjang balok dan saling sejajar. Pada saat dibengkokkan kita menganggap AB dan FD 23

17 tetap datar, A B dan F D pada gambar adalah penampang dari balok yang dibengkokkan yang sudah tidak saling sejajar. Pada bentuk yang dibengkokkan, beberapa serat memanjang seperti A F tertarik dan B D tertekan. Bagian tengah dari balok yang tidak mengalami tarik dikenal sebagai garis netral dan sumbu Cx disebut sebagai sumbu netral. Sekarang kita tinjau serat HJ pada balok yang sejajar sumbu memanjang Cz, serat sejauh y dari garis netral dan berada pada daerah tarik. Panjang awal dari serat HJ sebelum dibengkokkan adalah δz dimana panjang setelah di bengkokkan adalah ketika sudut diantara A B dan F D pada gambar dan adalah δz/r. Maka selama pembengkokkan HJ tertarik sebesar Regangan longitudinal dari serat HJ adalah Gambar Tegangan pada balok lentur 24

18 Kemudian regangan longitudinal pada setiap serat adalah sebanding terhadap jarak serat itu dari garis netral. Pada daerah tekan yang berada di sisi sebelah bawah dari permukaan normal memiliki nilai regangan negatif. Jika material dari balok tetap berada dalam keadaan elastis selama pembengkokkan maka tegangan longitudinal pada serat HJ adalah Penyaluran dari tegangan longitudinal pada setiap penampang seperti pada gambar 2.13., karena penyaluran yang simetris dari tegangan terhadap cumbu Cx maka tidak terjadi dorongan longitudinal pada penampang dari balok. Resultan dari momen yang terjadi adalah Dengan mensubstitusikan σ,maka didapat: Gambar Persebaran tegangan lentur dimana I adalah momen kedua dari luas dari penampang terhadap sumbu Cx. Dari persamaan diatas didapat 25

19 Dapat disimpulkan bahwa jari-jari yang seragam, R, dari tengah dari sumbu Cz dapat terbentuk dari momen yang terjadi pada kedua ujung dari balok. Persamaan menunjukkan hubungan yang linear antara M dan kelengkungan dari balok (1/R). Konstanta seperti EIx dalam hubungan yang linear ini disebut bending stiffness atau kadang disebut flexural stiffness dari balok. Kekakuan ini adalah hasil dari modulus Young (E) dan momen kedua dari luas (Ix) dari penampang terhadap sumbu pembengkokkan. II.5. Pola Retak Dalam Balok Beton Bertulang Gambar pola retak balok Pada gambar diatas, tampak pola-pola retak akibat dari lebihnya muatan beban rencana. Dalam perencanaan biasanya direncanakan untuk terjadi retak lentur, tetapi retak miring dapat terjadi pada balok beton bertulang sebagai kelanjutan dari retak lentur atau kadang-kadang sebagai retak independen (karena tidak dipasangnya tulangan geser). Retak geser kadang-kadang terjadi pada titiktitik belok dari balok menerus atau dekat tumpuan sederhana (seperti halnya pada percobaan). Ditempat-tempat teresebut sering terjadi momen kecil dan geser 26

20 tinggi, dan pada sumbu netral jika tegangan lentur adalah nol maka geser mencapai nilai maksimum.oleh karena itu tegangan geser akan menentukan apa yang terjadi dengan retak ditempat itu. Setelah retak berkembang, balok akan runtuh kecuali jika penampang beton yang retak dapat menahan gaya yang bekerja. Jika tidak ada tulangan geser atau sengkang, bagian yang dapat menstransfer geser adalah sebagai berikut: 1. Kekuatan geser dari penampang tak retak diatas bagian yang retak (diperkirakan 20%-40%) dari kekuatan total. 2. Kuncian agregat, yaitu friksi yang terjadi akibat kuncian agregat pada permukaan beton di sisi retak yang berlawanan (diperkirakan 33%-50% dari total). 3. Kekuatan tulangan longitudinal terhadap gaya friksi, yang sering disebut gaya pengait atau dowel action (diperkirakan 15%-25%). 4. Perilaku jenis pengikat lengkung yang terjadi dalam balok tinggi yang dihasilkan oleh tulangan longitudinal yang bekerja sebagai pengikat dan dari beton tak retak diatas dan disisi retak yang bekerja sebagai pelengkung. 27