SEMINAR NASIONAL TEKNIK FST-UNDANA TAHUN 2017 Hotel On The Rock, Kupang, November 2017

Transkripsi

1 SEMINAR NASIONAL TEKNIK FST-UNDANA TAHUN 2017 Hotel On The Rock, Kupang, November 2017 ANALISIS TEGANGAN REGANGAN BALOK BETON BERTULANG DENGAN PERKUATAN CARBON FIBER WRAPS (CFW) Albert Aun Umbu Nday 1 dan Abia Erasmus Mata 2 1 Jurusan Teknik Sipil, Politeknik Negeri Kupang, Jl. Adisucipto Kupang-NTT albertaun.umbunday@gmail.com 2 Jurusan Teknik Sipil, Politeknik Negeri Kupang, Jl. Adisucipto Kupang-NTT amustakppjj85@gmail.com ABSTRAK Perkembangan bahan untuk struktur beton banyak muncul inovasi-inovasi baru, salah satunya adalah untuk perkuatan dan perbaikan struktur. Metode perkuatan dan perbaikan struktur sudah banyak dilakukan, yang terbaru adalah perkuatan dan perbaikan dengan carbon fiber wraps (CFW). Tujuan penelitian ini adalah mengetahui karateristik tegangan-regangan dari balok yang diperkuat oleh Carbon Fiber Wraps (CFW). CFW yang digunakan adalah jenis SikaWrap Hex-230C-Dry Application yang ditempelkan pada bagian lentur balok. Terdapat 4 benda uji yaitu Balok Kontrol (BK) yaitu balok tanpa perkuatan CFW, Balok Perkuatan 0 % (BP 0%) yaitu balok yang diperkuat CFW serta Balok perbaikan 30 % (BP30%) dan Balok Perbaikan 60 % (BP60%) yaitu balok yang diberi CFW saat beban 30 % dan 60 % ultimit. Penambahan kekuatan BP0%; BP 30%; dan BP 60% bila dibandingkan dengan BK yaitu sebesar 114,2875 %; 108,5714 %; 105,7143 %. Dari perbandingan kekuatan yang diperoleh terlihat balok yang diperkuat mendapatkan kekuatan yang lebih besar apabila dibandingkan dengan balok yang diperbaiki. Hasil pengujian menunjukkan CFW bekerja setelah balok mencapai ultimit dan mampu menambah kekuatan lentur dari struktur balok, dan sangat baik bila digunakan untuk perbaikan maupun perkuatan struktur. Kata kunci: balok, perkuatan, carbon fiber wraps 1. PENDAHULUAN Perkembangan bahan untuk struktur beton banyak muncul inovasi-inovasi baru, salah satunya adalah untuk perkuatan dan perbaikan struktur. Metode perkuatan dan perbaikan struktur sudah banyak dilakukan, yang terbaru adalah perkuatan dan perbaikan dengan carbon fiber wraps (CFW). Di Indonesia CFW belum dikenal secara luas, dan masih sangat jarang digunakan. CFW memiliki kuat tarik yang sangat besar dan sangat baik untuk digunakan sebagai perkuatan maupun perbaikan struktur. Penelitian ini mengambil tema Analisis Tegangan Regangan Balok Beton Bertulang Dengan Perkuatan Carbon Fiber Wraps, dengan tujuan untuk mengetahui karateristik tegangan regangan pada balok beton bertulang dengan perkuatan CFW. 2. LANDASAN TEORI Kuat Lentur Balok Beton Bertulang Dipohusodo (1994), menyebutkan kuat lentur suatu balok beton tersedia karena berlangsungnya mekanisme tegangan-regangan dalam yang timbul di dalam balok yang pada keadaan tertentu dapat diwakili oleh gaya-gaya dalam. Menurut SNI keadaan seimbang gaya tekan beton (C c) dan gaya tekan baja (C s) yang akan diimbangi oleh gaya tarik tulangan baja (T s). Pada kondisi ini tulangan baja telah mengalami pelelehan (f s = f y), sehingga berlaku persamaan C c + C s = T s. Pengujian lentur balok beton bertulang di beri beban satu titik seperti pada Gambar 3.1 dan analisis tampang seperti Gambar 1. Gambar 1. Balok dengan beban satu titik

2 Gambar 2. Penampang tegangan regangan balok tulangan tunggal C c = T s C c = 0,85. f c. a b. b T s = A s. f s = A s.f y ; c b = 0,003.d / (0,003 + ε s) bila ε s =. f y/e s dengan E s = MPa. maka c b = 600.d / (600 + f y) a b = 1. c b ; bervariasi misalnya 1 = 0,85 untuk f c 30 MPa a b = d / (600 + f y) ; agar penulangan liat maka digunakan a = 0,75. a b = d / (600 + f y), a merupakan fungsi dari d ( 1 dan f y diketahui) Cc = 0,85. f c. b. a dan M n = T s (d ½.a) = Cc (d ½.a) = 0,85. f c. b. a. (d ½.a)...(1) Bila M n disamakan dengan M u / dan memasukkan a ke dalam persamaan terakhir maka akan didapatkan fungsi kuadrat dalam d bila b ditetapkan untuk mendapatkan nilai ukuran tampang balok. Tulangan Geser Dalam segala hal gaya geser yang harus dipikul oleh sengkang harus memenuhi : a) bila V s = V u /Ø - V c > 4 V c, maka ukuran balok diubah (SNI Pasal ) b) bila V s 4 V c, tetapi > 2 V c, maka tul. sengkang harus dihitung dan jarak sengkang (s) memenuhi syarat 300mm dan d/4 (SNI Pasal ) c) bila V u / Ø 2 V c tetapi > V c, maka tul. sengkang harus dihitung dan jarak sengkang (s) memenuhi syarat 600m dan d/2 (SNI Pasal Pasal ) d) Bila V u / Ø V c tetapi 0,5. V c, maka hanya diperlukan luas tul. sengkang minimum (SNI Pasal ) kecuali pada pelat dan fondasi telapak atau plat rusuk, balok dengan tinggi < 250 mm atau < 2,5.t atau < 2,5.b w. e) Bila V u / Ø < 0,5 V c, maka tidak perlu diberi tulangan sengkang Secara diagram syarat tulangan geser itu dapat dilihat di dalam Gambar 3 di bawah ini. Gambar 3. Diagram gaya geser balok Luas tulangan minimum sengkang dapat dihitung menggunakan rumus berikut : 75 fc' bw. s 1200 Av. f y Av s tetapi s y 75 fc' f bw dengan luas tulangan sengkang, A s = (1/2).A v Luas tulangan sengkang dihitung dengan menggunakan rumusan berikut : A. f v b w y...(2)

3 V s A v. f y. d Av. f y s s V v. d... (3) dengan luas tulangan sengkang, A s = (1/2).A v Apabila ingin digunakan tulangan serong/ miring maka luas tulangan itu dapat dihitung dengan rumus berikut :...(4) Am. f y. d.(sin cos ) Am. f y. d.(sin cos ) Vs s s V dengan A m = luas tulangan serong/ miring, A m = A v Balok Beton Bertulang diperkuat Carbon Fiber Wraps Dasar perencanaan balok beton bertulang yang diperkuat dengan carbon fiber wraps menurut PT. Sika Nusa Pratama (Seminar : The Latest Sika Technology in Structural Strengthening with SIKA CARBODUR CompositeStrengthening System) seperti pada Gambar 4 dan Gambar 5 diagram tegangan regangannya. v Gambar 4. Penulangan balok beton bertulang dengan penambahan carbon fiber wraps Dengan kondisi : Z s +Z L +D c =0, dengan ε Lmax 0,5 ε Lu atau0,8 Keterangan : Z s : gaya yangbekerja pada baja ;Z L : gaya yangbekerja pada carbonfiber wraps (CFW ) ; D c : gaya yang bekerja padabeton ; E f : Modulus ElastisitasCFW = MPa; ε Lmax :regangan maximum pada CFW ;ε Lu : reganganultimit pada CFW ; ε co :regangan padabeton Gambar 5. Grafik σ-ε penulangan balok beton bertulang dengan penambahan carbon fiber wraps (menurut PT. Sika Nusa Pratama) Menurut Pangestuti dan Prihanantio (2008) melampirkan momen nominal penampang akibat penambahan carbon fiber wraps (CFW) :

4 Gambar 6. Distribusi tegangan-regangan dengan penambahan carbon fiber wraps T f = A sf.f yf ;C C =T s +T f dan M n = A s.f y.j d + A sf.f yf.j df.(5) dengan : A s : luas tulangan tarik, f y : kuat tarik baja, j d : jarak blok tekan ke blok tarik, A sf : luas tulangan CFW, f yf : kuat tarik CFW, j df : jarak blok tekan ke blok tarik CFW. 3. BAHAN Kuat Tekan Beton Dari hasil pengujian selinder beton tersebut didapatkan kuat tekan rata-rata dari 5 buah selinder beton adalah 22,06 MPa. Kuat Tarik Baja Kuat tarik Baja dari rerata uji kuat tarik dari 3 buah spesimen baja diameter 12 mm adalah 393,42 MPa. Berat Jenis dan Kuat Tarik Carbon Fiber Wraps (CFW) Carbon fiber wraps yang digunakan pada penelitian ini adalah produk PT. Sika Nusa Pratama. Jenis CFW yang dipakai adalah SikaWrap Hex-230C-Dry Application dapat dilihat pada Gambar 7. Sebelum mendapatkan hasil pengujian kuat tarik CFW, sebelumnya dilakukan uji berat jenis CFW dengan tujuan mendapatkan luas penampang CFW. Hasil pengujian berat jenis CFW dapat dilihat pada Tabel 1. Gambar 7. carbon fiber wraps (CFW) Tabel 1. Hasil pengujian berat jenis CFW NO CFW Berat Jenis ( gr cm ) 3 Rerata ( gr cm ) 3 1 CFW-1 1,23 2 CFW-2 1,288 1,259 Pengujian kuat tarik CFW dapat dilakukan setelah pengujian berat jenis CFW dilakukan, pengujian berat jenis CFW dilakukan dengan memasukkan CFW ke dalam gelas ukur 100 ml yang sudah diisi air bening/bersih tanpa tercampur zat-zat kimia lain, lalu di ukur kenaikan airnya yaitu volume airnya dan dibagi dengan berat CFW itu sendiri. Hasil pengujian berat jenis CFW dari 2 sampel yang digunakan diperoleh berat jenis rerata CFW adalah 1,259 gr cm 3. Hasil pengujian kuat tarik CFW dapat dilihat pada tabel 2. Tabel 2. Hasil pengujian kuat tarik CFW No Gaya Maksimum Pmax (kn) Pertambahan Panjang ΔL (mm) Luas Tampang (cm 2 ) Tegangan ( N mm ) 2 Regangan (%) 1 6,64 13,52 0, , ,29 2 5,12 25,74 0, , ,40 3 4,72 26,87 0, , ,43 Rata-rata 1303, ,03

5 Benda Uji Balok Benda uji balok terdiri dari 4 buah yaitu : 1 balok kontrol (BK), dan 1 balok yang telah diperkuat dengan CFW tanpa diberi beban awal (BP 0%), serta 2 balok yang diperbaiki dengan CFW setelah mengalami ultimit 30 dan 60% (BP 30% dan BP 60%). Dengan ukuran 150X200X2000 mm 3, yang dapat dilihat pada Gambar Hipotesa tegangan-regangan dari benda uji BK yaitu tegangan-regangan baja bekerja bersama-sama, untuk hipotesa teganganregangan BP 0% yaitu tegangan-regangan baja bekerja bersama tegangan-regangan CFW sejak diberi beban awal, untuk hipotesa tegangan-regangan BP 30% yaitu tegangan-regangan baja bekerja bersama tegangan-regangan CFW setelah beban mencapai 30% beban ultimit, untuk hipotesa tegangan-regangan BP 60% yaitu tegangan-regangan baja bekerja bersama tegangan-regangan CFW setelah beban mencapai 60% beban ultimit, semua hipotesa dapat dilihat pada Tabel 3 berikut. Gambar 8. Ukuran benda uji Tabel 3. Spesifikasi benda uji

6 Variasi distribusi tegangan dari asumsi perkuatan carbon fiber wraps balok beton bertulang saat retak/leleh pada Gambar 9 (a); saat pemasangan CFW pada Gambar 9 (b); saat setelah pemasangan CFW dan diberi beban pada Gambar 9 (c). Gambar 9. Variasi distribusi tegangan dengan penambahan carbon fiber wraps Perhitungan Balok Beton Bertulang dengan CFW adalah sebagai berikut : 1. Balok Kontrol (BK) Balok kontrol (BK) adalah balok beton bertulang, perlakuan yang diberikan pada benda uji ini yaitu ketika diberi beban setelah mencapai titik leleh dari baja, maka kekuatan beton akan bertambah terus sampai ultimit dengan gaya dalam yang bekerja dari beton dan baja. Hasil analisis menunjukkkan : a= A f st y ' 0,85 f c b = 339, ,42 =47,4585 mm 0,85 22, M n =0,85 f ' c b a ( d 1 2 a ) =0,85 22, ,4585 ( ,4585 ) = ,14 Nmm P maks = (M n ( 1 Q l2 8 )) 4 L 2. Balok Perkuatan (BP 0%) = (18,9909 (0,36 ) ) 4 =37,2618 kn 2 Balok Perkuatan (BP 0%) adalah balok yang diperkuat oleh CFW dan perlakuan pada benda uji yaitu gaya dari balok beton bertulang yang diperkuat CFW bekerja bersama-sama menahan beban yang diberikan.

7 CFW yang di butuhkan sebesar: Besarnya CFW yang digunakan sebagai perkuatan Balok Beton Bertulang, dengan menggunakan batasan luasan blok beton antara kondisi under reinforced dan kondisi balance. a<a f <a b antara a=47,4585 mm dan a b =85,22 mm Besarnya a f yang diambil 90% a b yaitu: a f = 76,698 mm Maka besarnya Momen nominal totalnya adalah : M nf =0,85 f ' c b a f ( d 1 2 a f ) =0,85 22, ,698 ( ,698 ) = ,71 Nmm M nf = A sf. f yf.( h+ h f 2 a f 2 ) ,71= A sf.1303,2089. ( ,194 2 ) A sf =130,3926 mm 2 Maka berat fiber yang dibutuhkan adalah : V = A sf.l=130, =260785,1091 mm 3 =260,7851 cm 3 W=V. B j =260,7851 1,259=328,3284 gram Sedangkan W yang digunakan sebesar W = 20,02 gram maka : V = W = 20,02 B j 1,259 =15,9015 cm3 =15901,50913 Maka luasan fiber adalah : A sf = V l = 15901,50913 =7,9507 mm Besarnya momen nominal fiber adalah : M nf = A sf. f yf.( h+ h f 2 a f 2 ) =7, ,2089. ( Besarnya momen nominal total adalah : M nt =M n +M nf = , ,682= ,82 Nmm=20,6699 knm Bebarnya beban adalah : Q=h b q b = =0,72 kn m 1 8 Q l2 = 1 8 0,72 22 =0,36 knm P=( M nt ( 1 8 Q l2 )) ,194 2 ) = ,682 Nmm (20,6699 (0,36 ) ) 4 = =40,6199 kn L 2 Besarnya luasan blok tekan akibat fiber adalah : M nf =0,85 f c ' b a f ( d 1 2 a f ) ,682=0,85 22, a f ( a f ) a f =328,3639 mm 3. Balok Perbaikan 30% ultimit (BP 30%) Besarnya momen pada saat kondisi 30% strain baja tulangan sebelum dilakukan perbaikan : M 30 =A s.0,3. f y. ( d a 2 ) =339,292 0,3 393,42 48,9222 ( ) = ,541 Nmm=5,6679 knm

8 = (5,6679 (0,36 ) ) 4 =10,6159 kn L 2 Berdasarkan analisis Momen kondisi strain 30 % adalah 5,6679 knm, dan Bebannya adalah 10,6159 kn. Benda uji yang diberi beban tersebut kemudian diperkuat dengan CFW. 4. Balok Perbaikan 60% ultimit (BP 60%) Besarnya momen pada saat kondisi 60% strain baja tulangan sebelum dilakukan perbaikan : M= A s.0,6.f y. ( d a 2) =339,292 0,6 393,42 48,9222 ( ) = ,08 Nmm=11,3359kNm Besarnya gaya tekan (P) sebelum diperbaiki : P 30 = (M ( 1 8 Q l2 )) 4 4 (11,3359 (0,36 ) ) 4 = =21,9518 kn L 2 Berdasarkan analisis Momen kondisi strain 60 % adalah 11,3359 knm, dan Bebannya adalah 21,9518 kn. Benda uji yang diberi beban tersebut kemudian diperkuat dengan CFW. P= (M ( 1 Q l2 8 )) Setting Up Pengujian Pengujian dilakukan pada balok beton bertulang berumur diatas 28 hari, benda uji ditempatkan diatas rigid floor yang diangkur pada loading frame dengan sendi dan rol pada salah satu ujungnya. Pembebanan dengan beban satu titik di tengah bentang yang ditimbulkan oleh hydraulic jack kapasitas 60 ton. Lendutan diukur dengan LVDT yang dipasang sebanyak 3 buah pada masing-masing benda uji balok. Pembacaan beban, lendutan, dan regangan balok beton bertulang oleh data logger. Setting up pengujian seperti pada Gambar 10 dan Gambar 11 berikut ini. Gambar 10. Setting up pengujian

9 Gambar 11. Setting up pengujian 4. HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN a. Balok kontrol (BK) Grafik hubungan beban regangan untuk balok kontrol (BK) dapat dilihat pada Gambar 12. Beban P (kn) Regangan (x10^-6) mm/mm Gambar 12. Hubungan beban dan regangan balok kontrol (BK) Hasil pembacaan beban regangan pada tulangan tarik memperlihatkan bahwa strain gauge bekerja dengan baik, hal ini dapat dilihat dari kenaikan regangan yang mendekati linear. Regangan maksimum sebesar ( 10 6 mm/mm dengan beban sebesar 35 kn. b. Balok perkuatan (BP 0%) Grafik hubungan beban regangan untuk balok perkuatan (BP 0%) dapat dilihat pada Gambar 13. Beban P (kn) Regangan (x10^-6) mm/mm Gambar 13. Hubungan beban dan regangan balok perkuatan (BP 0%) Hasil pembacaan beban regangan pada tulangan tarik memperlihatkan bahwa strain gauge bekerja cukup baik, dapat dilihat dari kenaikan regangan awal yang tidak linear, disebabkan oleh lebar permukaan yang CFW yang tidak lurus dengan kekuatan tarik yang bekerja tidak merata di sepanjang permukaan balok. Regangan maksimum sebesar ( 10 6 mm/mm dengan beban sebesar 40 kn. Dari grafik terlihat bahwa CFW bekerja setelah balok beton bertulang mencapai beban ultimitnya dengan tambahan kekuatan CFW sebesar 5 kn. Oleh karena disebabkan tidak terpasangnya strain gauge di CFW, maka regangan pada CFW tidak terbaca dengan baik. c. Balok perbaikan 30% ultimit (BP 30%) Grafik hubungan beban regangan untuk balok perbaikan 30% ultimit (BP 30%) dapat dilihat pada Gambar 14.

10 Beban P (kn) Regangan (x10^-6) mm/mm Gambar 14. Hubungan beban dan regangan balok diberi 30% ultimit (BP 30%) Hasil pembacaan regangan pada tulangan tarik memperlihatkan bahwa strain gauge bekerja dengan cukup baik, dapat dilihat dari kenaikan regangan yang mendekati linear yang mencapai beban 31 kn, kondisi plastis terjadi pada beban diatas 31 kn, hal ini disebabkan oleh karena balok ditahan oleh pelat penahan beban selama 1 hari disebabkan menunggu lem CFW mengering, setelah lem CFW mengering lalu dilanjutkan pemberian bebannya. Regangan maksimum sebesar ( 10 6 mm/mm dengan beban sebesar 38 kn. Oleh karena disebabkan tidak terpasangnya strain gauge di CFW, maka regangan pada CFW tidak terbaca dengan baik. Dari grafik terlihat dengan benda uji dengan penambahan CFW sebagai perbaikan struktur balok mampu memberi tambahan kekuatan sebesar 3 kn. d. Balok perbaikan 60% ultimit (BP 60%) Grafik hubungan beban regangan untuk balok perbaikan 60% ultimit (BP 60%) dapat dilihat pada Gambar 15. Beban P (kn) Regangan (x10^-6) mm/mm Gambar 15. Hubungan beban dan regangan balok diberi 60% ultimit (BP 60%) Hasil pembacaan regangan pada tulangan tarik memperlihatkan bahwa strain gauge cukup baik, dapat dilihat dari kenaikan regangan yang mendekati linear yang mencapai beban 24 kn, kondisi plastis terjadi pada beban diatas 24 kn, hal ini disebabkan oleh karena balok ditahan oleh pelat penahan beban selama 1 hari disebabkan menunggu lem CFW mengering, setelah lem CFW mengering lalu dilanjutkan pemberian bebannya.. Regangan maksimum sebesar ( 10 6 mm/mm dengan beban sebesar 37 kn. Oleh karena disebabkan tidak terpasangnya strain gauge di CFW, maka regangan pada CFW tidak terbaca dengan baik. Dari grafik terlihat dengan benda uji dengan penambahan CFW sebagai perbaikan struktur balok mampu memberi tambahan kekuatan sebesar 2 kn. Perbandingan balok beton bertulang yang diperkuat CFW dan yang diperbaiki CFW dapat dilihat pada Tabel 4 berikut. Tabel 4. Perbandingan beban eksperimen BP 0%, BP 30%, BP 60% terhadap BK NO Benda Uji Peksperimen (kn) Kekuatan dengan Perbandingan terhadap Balok Kontrol (BK) (%)

11 1 BK BP 0% , BP 30% , BP 60% ,7143 Data hasil penelitian menunjukkan bahwa balok beton bertulang dengan perkuatan CFW lebih memberikan kekuatan yang lebih besar bila dibandingkan dengan balok beton bertulang dengan perbaiakan CFW. 5. KESIMPULAN Carbon fiber Wraps (CFW) mampu memberikan tambahan kekuatan lentur pada struktur balok beton bertulang, sebab CFW memiliki kekuatan tarik yang sangat besar. Kondisi ini menjadikan CFW sebagai tulangan tambahan setelah tulangan baja. CFW dapat digunakan untuk perkuatan dan sebagai solusi perbaikan lentur pada balok beton bertulang. DAFTAR PUSTAKA Badan Standarisasi Nasional., 2002, Tata Cara Perhitungan Struktur Beton Untuk Bangunan Gedung, Bandung. (SNI ) Dipohusodo, I., 1994, Struktur Beton Bertulang, PT. Gramedia Pustaka Utama, Jakarta.. Hartono., Prajitno H., dan Pelupessy R., 2007, Prosiding pada Seminar HAKI dengan tema : Pertimbangan pada Perbaikan dan Perkuatan Struktur Bangunan Pasca Gempa, Jakarta. Pangestuti E. K., dan Prihanantio J., 2008, Jurnal Teknik Sipil dan Perencanaan : Analisis Kuat Lentur Balok Beton Bertulang dengan Carbon Fiber Wrap, Semarang. Sika Nusa Pratama., 2000, Prosiding pada Seminar : The Latest Sika Technology in Structural Strengthening with SIKA CARBODUR Composite Strengthening System, Surabaya.