Jurnal Teknologi, Vol. 11, No. 1, April 2011 : 16-21 PERILAKU GESER BALOK BETON BERTULANG (RC) DENGAN SERAT KARBON PADA BAGIAN LUAR SEBAGAI MATERIAL PERBAIKAN Teuku Anwar Jurusan Teknik Sipil Politeknik Negeri Lhokseumawe Jl. Banda Aceh-Medan Km. 280, P.O. Box 90, Buketrata, Lhokseumawe 24301 E-mail: t.anwarabdurrahman@yahoo.com Abstract Concrete structures often experience weakening and damaging due to the service and the excessive burden of the design. Optimizing the structure functions needed improvement. Retrofit is the one way. By developing technology of the material, carbon fiber resin derived materials (carbon fiber sheet) that could help repair the structure. The objective of this study is to predict the behaviuor of concrete structure shear with carbon fibre sheet. It was designed a test beam component with the provision of material Carbon Fibre Sheet (CFS). Its dimensions were designed with 20 x 30 x 220 cm with compressive strength K300. Pattern pairs were planned with different systems and different strip layers. The results indicated that the beam became greater strength against the load and detroying deflection could be minimized. Broken load of beams strengthened with CFS reached 131.0% for the installation of a layer without overlapping. Retrofitting an overlapping layer of 10 cm increased to reach 137.6%. The pattern of strips also provided benefits of cost and increased crushing, for strengthened beams with two strips and a layer without overlapping reached 161.0%. While the system installation and retrofitting of two strips a layer with overlapping increased to 141.3%. Key words: carbon fibre sheet, increased, shear strength, load, deflection. PENDAHULUAN Kerusakan elemen struktur terjadi pada daerah lentur atau geser, bahkan terjadi keduanya sekaligus. Akibatnya struktur terjadi perlemahan yang dapat mengganggu pelayanan [1]. Pada kondisi ini diperlukan perbaikan dengan memperkuat kembali, sehingga struktur menjadi kokoh. Dengan perkembangan teknologi material telah mendapat harapan baru dalam teknologi beton. Salah satu diantaranya adalah resin serat karbon (carbon fibre sheet) [2]. Dengan adanya pemeliharaan diharapkan kondisi struktur selalu dalam kondisi prima. Dengan demikian penggunaannya tidak menimbulkan keraguan selama masa layan. Untuk memperkuat struktur beton bertulang khususnya bagian balok bisa dilakukan dengan bertulang atau dengan melapisi bagian luarnya dengan bahan komposit nonlogam (Carbon Fibre Sheet) [3,4]. Penggunaannya dengan metoda pelapisan yang diberikan pada tempat-tempat terjadinya kerusakan. Karena material ini dilekatkan pada permukaan, maka tidak merubah dimensi elemen struktur [5]. Penelitian bertujuan untuk meneliti keandalan Carbon Fibre Sheet terhadap kemampuan geser balok beton bertulang. Diharapkan material penguat dapat meningkatkan kapasitas struktur beton atau mengembalikan kapasitas rencana. METODE Untuk mengukur kekuatan balok menjadi lebih besar tahanannya terhadap beban hancur pada kondisi geser dan lendutan, difleksi dapat diperkecil digunakan dial gauge sedangkan untuk mengukur regangan digunakan strain gauge. Alat yang digunakan untuk mengukur difleksi atau displacement adalah LVDT (Linear Variable Displacement Transuders). Benda uji dibuat dengan rancangan dimensi tampang b = 20 cm dan tinggi balok = 30 cm sedangkan bentang L = 220 cm. Rencana kehancuran geser dengan suatu perbandingan 2,5 < a/d < 7 [1,6]. Data rancangan lebih detail balok uji diperlihatkan pada Tabel 1 dan diperjelas dengan Gambar 1. Material carbon fibre sheet sebagai perkuatan geser yang 16
Perilaku Geser Balok Beton Bertulang dengan Serat Karbon di Bagian Luar (T. Anwar) dilapisi pada sisi luar memiliki sifat-sifat fisis yang terpercaya untuk menimgkatkan kekuatan balok sebagai sasaran uji struktur [2,7]. P S = 80 mm S = 150 mm S = 125 mm P 32 Sampel I 20 Tanpa CFS Sampel II CFS 1 Strip Sampel III CFS 2 Strip 220 cm Gambar 1. Balok Benda Uji Agar memudahkan pengamatan, maka sistem perkuatan awal dilakukan dengan cara memberi perkuatan satu sisi sedangkan sisi yang lain diperlemah. Pada sisi diperkuat pendahuluan digunakan besi begel sejarak s = 80 mm dan pada sisi yang lemah digunakan jarak maksimum yaitu sebesar 125 mm. Sebagai material perbaikan yang digunakan dalam pengujian Nitowrap FRC 300. Perekat antara nitowrap dengan sample balok, digunakan lem dari produk yang sama yaitu Nitowrap Encapsulation Resin (S). Benda Uji Rasio Tulangan Lentur Tabel 1. Rancangan Balok Uji Jarak Begel Kiri (cm) Jarak Begel Kanan (cm) Jumlah Lapis CFS I 0.026795 d/2 = 12.5 8 0 0 II 0.030144 d/2 = 12.5 8 1 sheet 1 lapis non overlap III 0.030144 d/2 = 12.5 8 1 sheet 1 lapis overlap 10 cm IV 0.030144 d/2 = 12.5 8 2 sheet 1 lapis non overlap V 0.030144 d/2 = 12.5 8 2 sheet 1 lapis overlap 10 cm VI 0.026795 d/2 = 12.5 8 2 sheet 2 lapis non overlap Ket Data material ini diperlihatkan dalam Tabel 2. Prosedur pelaksanaan dalam melekatkan nitowrap pada sample balok juga mengikuti petunjuk pengerjaan perekatan dari produsen dengan melapisi sebagai dasar perekat. 17
Jurnal Teknologi, Vol. 11, No. 1, April 2011 : 16-21 Tabel 2. Section properties dari nitowrap No Grade Unit Index Model FRC 200 300 300 HM 1 Weight (g/cm 2 ) 200 300 300 2 Design Thickness (mm) 0.111 0.167 0.165 3 Tensile Strength for Design (kgf/cm 2 ) 35,500 35,500 30,000 4 Tensile Modulus for Design (kgf/cm 2 ) 2.35 x 10 6 2.35 x 10 6 3.8 x 10 6 5 Elongation at Break % 1.5 1.5 0.8 Nitowrap Encapsulation Resin (S) Compresion Strength ASTMD 1 1002 N/mm 2 100 2 Compresion Modulus ASTM 695 N/mm 2 2050 3 Tensile Strength ASTMD 638 N/mm 2 50 4 Flexural Strength ASTMD 790 N/mm 2 75 Catatan: Digunakan Type FRC 300 dalam uji balok HASIL DAN PEMBAHASAN Rekaman yang dapat didatakan dan dievaluasi lebih lanjut antara lain adalah: pola retak, hubungan antara lendutan - beban, regangan tegangan besi tulangan pokok, regangan tulangan besi begel, regangan tegangan beton desak, displacement bond stress, grafik hubungan shear strength displacement dan lain-lain. Pola Retak Pada retak sample dengan pelapisan CFS lebar 10 cm 1 strip 1 lapis overlap 10 cm yang diberikan CFS telihat bahwa kehancuran geser terjadi bukan pada daerah pemasangannya tetapi bergeser ke arah samping menuju tengah bentang seperti diperlihatkan pada Gambar 2. Gambar 2. Pola retak pada pemberian CFS 1 strip dengan overlaping 10 cm. Begitu juga dengan pola pemberian pelapisan FRP lebar 5 cm 2 strip 1 lapis overlap 10 cm, bahwa pada daerah geser tidak terjadi perubahan retak yang berarti, tetapi kehancuran terjadi pada daerah desak beton (Gambar 3). Ini menunjukkan bahwa pelapisan CFS pada daerah-daerah yang terjadi perlemahan menjadi kuat yang dapat meningkatkan ketahanan struktur bila pelaksanaannya mendapat pola yang baik. Hubungan Beban - Displacement Pemberian beban pada balok normal memberikan tegangan dan regangan balok yang meningkat sesuai dengan peningkatan beban. Akibat beban yang terus meningkat, kapasitas geser pertama sekali dicapai yang ditandai dengan retak-retak miring di sekitar tumpuan pada daerah yang begelnya dipasang minimum yaitu dengan jarak 12.5 cm. Gambar 4 memperlihatkan grafik gabungan beban lendutan 18
Perilaku Geser Balok Beton Bertulang dengan Serat Karbon di Bagian Luar (T. Anwar) Gambar 3. Pola retak pada pemberian CFS 2 strip dengan overlaping 10 cm Gambar 4. Grafik gabungan hubungan beban lendutan Seiring dengan tercapainya kapasitas geser, momen balok juga mencapai mulai meningkat, tetapi tidak menunjukkan keretakan yang berarti. Tetapi setelah geser melemah, maka lentur mulai menunjukkan retak pada kondisi tertentu. Hal ini ditandai dengan lendutan yang makin meningkat diikuti dengan retak-retak balok di sekitar tengah bentang balok. Tabel 3 menunjukkan beban dan lendutan balok. Tabel 3. Hubungan beban dan lendutan semua sample NO TYPE SAMPLE BEBAN MAX BESAR LENDUTAN Kg mm 1 Normal 10.198,86 1,381 2 1 Lapis 1 Strip Tanpa Overlaping 13.841,31 1,279 3 1 Lapis 1 Strip Overlaping 15.796,04 1,097 4 1 Lapis 2 Strip Tanpa Overlaping 13.028,27 0,835 5 1 Lapis 2 Strip Overlaping 17.345,93 0,642 6 2 Lapis 2 Strip Tanpa Overlaping 10.869,98 0,729 Pemberian beban yang terus dilakukan terus memperbesar lendutan dan membuat retak lentur makin melebar hingga kondisi f c tercapai mencapai f cu. Secara menyeluruh benda uji yang dibebani beban menunjukkan bahwa dengan pemberian CFS pada daerah geser kemampuan menahan lendutan menjadi lebih besar. 19
Jurnal Teknologi, Vol. 11, No. 1, April 2011 : 16-21 Hubungan Beban Pola Pasang Carbon Fibre Sheet Penggunaan CFS memperlihatkan, balok yang diperkuat dengan carbon fibre sheet memberikan peningkatan kapasitas beban. Pada Gambar 4 terlihat bahwa secara umum nilai beban makin meningkat sesuai dengan pola pemberian lapis CFS. Dalam grafik terlihat balok normal berada pada posisi di bawah semua grafik yang mendapat perlakuan CFS. Sample dengan perlakuan pemberian CFS 1 srtip 1 lapis tanpa overlap (sample II) memberikan nilai beban sedikit lebih besar dari sample normal. Sedangkan perlakuan yang diberikan dengan 2 strip 1 lapis dengan overlap 10 cm (sample V) memberikan grafik beban yang terbesar dari semua perlakuan yang ada. Perlakuan perkuatan dengan 2 strip 1 lapis tanpa memberikan overlaping tidak menunjukkan peningkatan yang berarti dibandingkan perlakuan 2 strip 1 lapis dengan overlaping 10 cm. Ini menunjukkan bahwa pemerian overlaping sangat membantu perkuatan sample. Tabel 3 menunjukkan bahwa terjadi peningkatan beban hancur yang signifikan antara balok normal dengan balok yang diperkuat dengan CFS mencapai Error! Not a valid link. untuk pemasangan 1 lapis tanpa overlaping. Sedangkan untuk 1 lapis dengan overlaping 10 cm kenaikannya mencapai Error! Not a valid link.. Pola pemberian sheet juga memberikan manfaat kenaikan beban hancur yaitu untuk balok dengan perkuatan 2 sheet dan 1 lapis tanpa overlaping memberikan beban hancur mencapai Error! Not a valid link.. Sedangkan dengan sistem pemasangan perkuatan 2 sheet dan 1 lapis dengan overlaping memberikan kenaikan sampai 141.3%. Gambar 4. Hubungan Beban Kekuatan Pemasangan CFS juga membantu memperkecil lendutan. Pada balok normal menunjukkan lendutan yang terjadi adalah yang terbesar yaitu 0,9105. Sedangkan yang terkecil adalah pada pemasangan CFS lebar 5 cm 2 strip 2 lapis tanpa overlap beban pada beugel. Hasil pengujian beberapa penggunaan pelapisan diperlihatkan pada Tabel 4. Akan halnya regangan beugel pada pemasangan pola sampel V dengan CFS lebar 5 cm 2 strip 1 lapis overlap 10 cm mengalami regangan melampaui regangan luluh, yaitu sebesar 0,1984 pada susunan jarak 8 cm dan 0,2200 pada 12,5 cm. 20
Perilaku Geser Balok Beton Bertulang dengan Serat Karbon di Bagian Luar (T. Anwar) Tabel 4. Hasil pengujian beberapa variasi pelapisan BENDA UJI DESKRIPSI Normal II III IV V VI (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) Lendutan pada P Maks. 0,9105 1,219 1,329 0,606 0,567-0,346 P pada saat Lendutan mak 10750,15 14077,57 14795,56 17306,56 15190,25 14252,18 Persen Kenaikan Beban 100,0% 131,0% 137,6% 161,0% 141,3% 132,6% Reg. mak Begel Jarak 8 cm 0,000179 0 0,19840 0,00451 Reg. Begel Jarak 12.5 cm 0,0037 0,00565 0,22000 0,04527 Keterangan: 1. Normal I adalah benda uji tanpa memberi pelapisan FRP 2. Benda Uji II adalah benda uji dengan pelapisan FRP lebar 10 cm 1 strip 1 lapis tanpa overlap 3. Benda Uji III adalah benda uji dengan pelapisan FRP lebar 10 cm 1 strip 1 lapis overlap 10 cm 4. Benda Uji IV adalah benda uji dengan pelapisan FRP lebar 5 cm 2 strip 1 lapis tanpa overlap 5 Benda Uji V adalah benda uji dengan pelapisan FRP lebar 5 cm 2 strip 1 lapis overlap 10 cm 6. Benda Uji VI adalah benda uji dengan pelapisan FRP lebar 5 cm 2 strip 2 lapis tanpa overlap KESIMPULAN Balok yang diberikan perkuatan CFS pada berbagai pola pelapisan menunjukkan memberi kontribusi kekuatan hancur geser lebih besar dibandingkan dengan tanpa diberi perkuatan. Pelapisan yang dipusatkan pada satu lokasi dengan pemberian yang terdistribusi memberikan pola retak yang berbeda. Begitu juga pelapisan dengan pengekangan sistem overlaping dengan tanpa overlap turut mempengaruhi pola retak geser. Beban hancur yang signifikan antara balok kontrol dengan balok yang diperkuat dengan CFS mencapai Error! Not a valid link. untuk pemasangan 1 lapis tanpa overlaping. Untuk 1 lapis dengan overlaping 10 cm kenaikannya mencapai Error! Not a valid link. Pola pemberian strip juga memberikan kenaikan beban hancur untuk balok dengan perkuatan 2 strip dan 1 lapis tanpa overlaping beban hancur mencapai Error! Not a valid link. Sedangkan dengan sistem pemasangan perkuatan 2 strip dan 1 lapis dengan overlaping kenaikan sampai 141,3%. DAFTAR PUSTAKA [1] Abdullah, 2004. Retrofitting Existing R/C Structures and Repair Materials, Seminar Sehari Department of Civil Engineering Syiah Kuala University, Darussalam Banda Aceh, 29 Januari 2004 [2] Chen, J. F. and Teng J. G., 2003. Shear Capacity of Fiber-Reinforced Polymer- Strengthened Reinforced Concrete Beams: Fiber Reinfoeced Polymer Rupture, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 129, No. 5, May 2003. [3] Hartono, Perkuatan Struktur Beton dengan FRP, 2003. Proceeding Advances on Concrete Technology and Structures, Universitas Andalas Padang 8 Mai 2003. [4] Sudjati J. J dan Andreas Triwiyono,2003, Perkuatan Kolom Beton Bertulang dengan Carbon Fiber Jacket, Jurnal Teknil Sipil, Universitas Atma Jaya Jokyakarta, April 2003. [5] Hayati, Yulia, 2004. Strengthening Method of Existing RC Structure By Using FRP Sheet, Jurnal Teknik Sipil, Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Syiah Kuala Banda Aceh, Vol. 3, Tahun III, No. 1, Mei 2004. [6] Hong Jin HE, dkk, 1997. Strengthening of Reinforced Concrete Beams With CFRP Plates, Proceeding of the Third Internasional Symposium (FRPRCS-3), Japan Concrete Institute, Volume 1, Sapporo Japan. [7] Tavakkolizadeh. M, M.ASCE dan Saadatmanesh, M.ASCE, 2003. Fatigue Strength of Steel Girders Strengthened with Carbon Fibre Reinforced Polymer Patch, Journal of Structural Engineering, Vol. 129 No. 2, ASCE, February 2003. 21