PERILAKU BALOK BERTULANG YANG DIBERI PERKUATAN GESER MENGGUNAKAN LEMBARAN WOVEN CARBON FIBER TUGAS AKHIR Diajukan untuk melengkapi tugas tugas dan melengkapi syarat untuk menempuh Ujian Sarjana Teknik Sipil Disusun oleh : ANDREAS PANDIA 050404110 BIDANG STUDI STRUKTUR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2010
ABSTRAK Struktur dengan berbagai fungsi dan kombinasi beban tergolong rentan, baik terhadap perubahan fungsi yang mengakibatkan pertambahan beban yang dipikul, maupun kemungkinan terjadinya kesalahan perhitungan pada saat perencanaan. Salah satu keruntuhan yang cukup fatal dalam konstruksi balok beton bertulang adalah keruntuhan geser yang diakibatkan oleh kombinasi beban lentur, beban aksial, dan beban geser. Perkuatan (strengthening) merupakan salah satu alternatif untuk meningkatkan kemampuan struktur dalam memikul beban geser. Metode perkuatan ini menggunakan Woven Carbon Fiber (FRP), merupakan pelat baja tipis yang terdiri dari serat-serat carbon dan fiber yang berfungsi untuk meningkatkan kapasitas geser pada balok dengan menambahkan serat FRP di bagian sisi pada daerah geser. Penelitian ini merupakan kajian eksperimental yang bertujuan untuk mengetahui seberapa besar kontribusi perkuatan lembaran serat woven carbon fiber dalam memikul gaya geser balok beton bertulang. Lebih lanjut lagi membandingkan kuat geser balok beton bertulang yang menggunakan serat woven carbon fiber dengan balok beton bertulang tanpa serat woven carbon fiber. Benda uji berupa balok berukuran (15x20x130)cm dengan tulangan tarik dan tulangan tekan Ø12 dan tulangan geser Ø6. Mutu beton yang dipakai adalah K-250 (f c = 25 MPa), pada umur 28 hari. Perkuatan yang dipakai adalah serat Woven Carbon Fiber (FRP), dengan panjang 450 mm, lebar serat 30 mm dan tebal serat 0,127 mm. Semua balok kecuali balok kontrol diperkuat dengan lembaran serat woven carbon fiber yang arah seratnya tegak lurus terhadap sumbu longitudinal balok. Metode lilitan yang ditinjau adalah metode lilitan U. Variabel pengujian berdasarkan jarak antar serat yang divariasikan dengan 100 mm dan 200 mm. Dari hasil pengujian diperoleh kuat geser untuk Balok Kontrol (BK) 70 KN, Balok U30-100 80 KN dan Balok U30-200 70 KN. Atau terjadi peningkatan kapasitas kuat geser 12,5% (B U30-100); 0% (B U30-200) terhadap Balok Kontrol (BK). Sedangkan lendutan tengah bentang, y 2 pada beban maksimum berturut-turut untuk Balok Kontrol (BK) 7,36 mm; Balok U30-100 5,20 mm; dan Balok U30-200 6,5 mm.
KATA PENGANTAR Puji dan syukur kepada Tuhan Yesus Kristus, atas segala kasih dan rahmatnya yang tak berkesudahan sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan Tugas Akhir ini. Adapun judul dari Tugas Akhir ini adalah Perilaku Balok Bertulang Yang Diberi Perkuatan Geser Menggunakan Lembaran Woven Carbon Fiber. Tugas Akhir ini disusun sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan Strata I (S1) di Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Penulis menyadari bahwa dalam penulisan tugas akhir ini tidak terlepas dari bimbingan, dukungan dan bantuan dari semua pihak. Penulis hanya dapat mengucapkan terima kasih atas segala jerih payah, motivasi dan doa yang diberikan hingga penulis dapat menyelesaikan studi di Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik, terutama kepada : 1. Bapak Ir. Daniel Rumbi Teruna, MT, selaku Dosen Pembimbing yang telah berkenan meluangkan waktu, tenaga dan pemikiran untuk membantu, membimbing dan mengarahkan penulis hingga selesainya tugas akhir ini. 2. Bapak Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan, selaku Ketua Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik. 3. Bapak Ir. Teruna Jaya, M.Sc, selaku Sekretaris Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik.
4. Bapak dan Ibu Dosen / Staf Pengajar Departemen Teknik Sipil yang telah membekali penulis dengan berbagai ilmu pengetahuan hingga selesainya tugas akhir ini. 5. Ayah Simson Pandia dan Ibu S.Agustina br.bangun tercinta yang selalu memberi kasih sayang, semangat serta doa nya buat penulis, serta saudara/i penulis dan seluruh keluarga yang telah memberi motivasi dan doa. 6. Teman-teman seperjuangan angkatan 2005, terima kasih atas bantuan dalam bentuk apapun selama kita bersama-sama menjalani masa kuliah dan pengerjaan tugas akhir ini, kebersamaan yang telah kita lewati sangat berarti bagiku, CIV05 Jaya!!!. Penulis menyadari bahwa penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna, karena keterbatasan pengetahuan dan pengalaman serta referensi yang penulis miliki. Untuk itu penulis mengharapkan segala saran, masukan dan kritikan yang sifatnya membangun dari semua pihak demi perbaikan di masa mendatang. Harapan penulis, semoga Tugas Akhir ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua. Medan, September 2010 Hormat Saya, ANDREAS PANDIA NIM : 05 0404 110
DAFTAR ISI ABSTRAK... KATA PENGANTAR... DAFTAR ISI... i ii iv DAFTAR GAMBAR... vii DAFTAR TABEL... DAFTAR NOTASI... ix xi BAB I PENDAHULUAN... 1 I.1. Latar Belakang Masalah... 1 I.2. Perumusan Masalah... 3 I.3. Tujuan Penelitian... 4 I.4. Pembatasan Masalah... 4 I.5. Metodologi... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA...... 8 II.1. Latar Belakang... 8 II.2. Fiber Reinforced Polymer... 10 II.2.1. Standard Pedoman Perencanaan... 12 II.2.2. Aplikasi FRP... 15 II.3. Geser dan Tarik Diagonal... 17 II.3.1. Tegangan Geser Beton... 17 II.3.1. Retak Geser dari Balok Beton Bertulang... 21 II.4. Analisa Kuat Geser Balok Tanpa Tulangan Geser... 22 II.5. Analisa Kuat Geser Balok Yang Bertulang Geser... 28
II.5.1. Mekanisme Analogi Rangka ( vakwerkanalogi)... 28 II.5.2. Perencanaan Tulangan Geser... 32 II.6. Kontribusi Lembaran FRP Dalam Memikul Geser... 43 BAB III METODE PENELITIAN... 49 III.1. Bahan Penyusun Beton... 49 III.1.1. Agregat Halus... 49 III.1.2. Agregat Kasar... 52 III.1.3. Semen... 54 III.1.4. Air... 56 III.1.5. Baja Tulangan... 57 III.2. Pelaksanaan Penelitian... 59 III.2.1. Pemeriksaan Bahan Penyusun Beton... 59 III.2.1.1. Agregat Halus... 59 III.2.1.2. Agregat Kasar... 63 III.2.1.3. Semen... 68 III.2.2. Penyediaan Bahan Penyusun Beton... 68 III.3. Benda Uji Beton... 68 III.3.1. Dimensi Benda Uji... 68 III.3.2. Variabel Pengujian... 69 III.3.3. Pemasangan Serat Woven Carbon Fiber (FRP)... 71 III.4. Pengujian Beton... 72 III.4.1. Pengujian Kekuatan Tekan Beton... 72 III.4.2. Pengujian Kekuatan Geser Beton... 72
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN... 76 IV.1. Kekuatan Tekan Kubus Beton... 76 IV.2. Perhitungan Kapasitas Tulangan... 77 IV.3. Perhitungan Geser Rencana... 81 IV.3.1. Prediksi Kuat Geser Nominal (Untuk Balok Kontrol)... 81 IV.3.2. Prediksi Kuat Geser Kontribusi Carbon Fiber FRP... 82 IV.3.3. Kuat Geser Nominal Setelah Ada Perkuatan FRP... 84 IV.4. Gaya Geser Ultimit Dan Mode Keruntuhan... 84 IV.5. Pembacaan Lendutan Dan Regangan Beton Uji... 85 IV.5.1. Balok Kontrol (Tanpa Perkuatan)... 85 IV.5.2. Balok Uji Kode U30-100... 89 IV.5.3. Balok Uji Kode U30-200... 92 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 98 V.1. Kesimpulan... 98 V.2. Saran... 99 DAFTAR PUSTAKA 100 LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Balok yang Kedua Ujung-ujung Ditumpu Bebas dan Dibebani Dua Beban Terpusat, serta Diagram Gaya Lintang dan Diagram Momen... 18 Gambar 2.2. Distribusi Tegangan Geser Berbentuk Parabolis pada Penampang Homogen... 19 Gambar 2.3. Retakan, Busur Tekan dan Ikatan Tarik... 20 Gambar 2.4. Jenis-jenis Retak Miring... 22 Gambar 2.5. Retribusi Perlawanan Geser Sesudah Terbentuk Retak Miring.. 23 Gambar 2.6. Grafik hubungan antara V u dan M u..... 24 Gambar 2.7. Mekanisme Analogi Rangka Batang... 28 Gambar 2.8. Aksi Rangka dalam Balok Beton Bertulang dengan Tulangan Geser Miring dan Tulangan Geser Vertikal... 29 Gambar 2.9. Grafik Distribusi Geser Dalam Pada Balok Dengan Tulangan Geser... 31 Gambar 2.10. Jenis Tulangan Geser... 32 Gambar 2.11. Kekuatan geser V S yang Ditimbulkan oleh Tulangan Geser... 34 Gambar 2.12. Notasi perkuatan Geser... 43 Gambar 2.13. Bagan Alir Perhitungan dalam Mencari Nilai V f Berdasarkan Tegangan Efektif dan Metode Lekatan Serat... 46 Gambar 2.14. Pendekatan Analogi Rangka Terhadap Serat Transversal FRP. 47 Gambar 3.1. Benda Uji Kubus 15x15x15cm dan Balok Uji 15x20x130cm.. 69 Gambar 3.2. Metode Lilitan U dan Jarak antar Serat / Fiber... 70
Gambar 3.3. Balok Kontrol Yang Diberi Pembebanan P Tengah Bentang, Serta Diagram Gaya Lintang, Diagram Momen Lentur Dan Diagram Lendutan... 74 Gambar 3.4. Balok Uji Kode U30-100 Dan Balok Kode U30-200 Yang Diberi Pembebanan P Tengah Bentang... 75 Gambar 4.1. Kondisi Baja Tekan Meleleh... 78 Gambar 4.2. Kurva Beban Lendutan untuk Balok Kontrol... 88 Gambar 4.3. Kurva Tegangan Regangan untuk Balok Kontrol... 88 Gambar 4.4. Kurva Beban Lendutan untuk Balok Kode U30-100... 91 Gambar 4.5. Kurva Tegangan Regangan untuk Balok Kode U30-100... 91 Gambar 4.6. Kurva Beban Lendutan untuk Balok Kode U30-200... 94 Gambar 4.7. Kurva Tegangan Regangan untuk Balok Kode U30-200... 94 Gambar 4.8. Kurva Beban Lendutan Tengah,Y 2 untuk Semua Jenis Balok Uji... 95 Gambar 4.9. Kurva Tegangan Regangan untuk Semua Jenis Balok Uji... 96
DAFTAR TABEL Tabel 1.1. Sifat Mekanis serat Woven Carbon Fiber... 5 Tabel 1.2. Variasi Benda Uji... 6 Tabel 2.1. Data FRP... 10 Tabel 2.2. Perbandingan Performance FRP... 11 Tabel 2.3. Faktor Reduksi Lingkungan C E... 13 Tabel 2.4. Faktor Keamanaan Parsial untuk Kekuatan... 14 Tabel 2.5. Recommended Values of Partial Safety Factor, to be Applied to Design Strength of Manufactured Composites, Based on Clarke... 14 Tabel 2.6. Faktor Keamanan Parsial untuk modulus Elastisitas... 15 Tabel 2.7 Tipe dan Spesifikasi dari Sika Carbodur... 16 Tabel 2.8. Nilai-nilai φ vc... 27 Tabel 2.9. Nilai φvs maks untuk Berbagai Mutu Beton... 42 Tabel 3.1. Susunan Besar Butiran Agregat Halus... 50 Tabel 3.2. Susunan Besar Butiran Agregat Kasar... 53 Tabel 3.3. Komposisi Kimia Portland Semen... 54 Tabel 3.4. Jenis-jenis Semen Portland... 56 Tabel 3.5. Hasil Analisa Kimia Baja Tulangan Polos... 58 Tabel 3.6. Hasil Uji Tarik... 59 Tabel 3.7. Penamaan dan Parameter Balok Uji... 70 Tabel 4.1. Pengujian Kuat Tekan Kubus (15x15x15 cm)... 76 Tabel 4.2. Balok Kontrol 1 (Kode BK-1)... 86 Tabel 4.3. Balok Kontrol 2 (Kode BK-2)... 87
Tabel 4.4. Balok Uji Kode U30-100-1... 89 Tabel 4.5. Balok Uji Kode U30-100-2... 90 Tabel 4.6. Balok Uji Kode U30-200-1... 92 Tabel 4.7. Balok Uji Kode U30-200-2... 93 Tabel 4.8. Perbandingan Lendutan Tengah Y 2 Antara Balok Kontol (BK), Balok Kode U30-100 dan Balok Kode U30-200... 95 Tabel 4.9. Perbandingan Regangan Antara Balok Kontol (BK), Balok Kode U30-100 dan Balok Kode U30-200... 96 Tabel 4.10. Perbandingan Hasil Analisa Teoritis dengan Eksperimental, V N... 97 Tabel 4.11. Kuat Geser Balok UJi, Mode Keruntuhan dan Lendutan... 97
DAFTAR NOTASI A S A S A f A V f c fy Ec Es E f d ε c ε S ε y ε f fy f fe f fu σ ' b ρ f M N V C = luas tulangan tarik non-prategang = luas tulangan tekan non-prategang = luas penampang serat transversal = luas tulangan geser / sengkang = kuat tarik beton = kuat tarik tulangan baja = modulus elastisitas beton = modulus elastisitas baja tulangan = modulus elastisitas serat fiber = tinggi efektif balok = regangan beton = regangan baja tulangan tekan = regangan baja tulangan tarik = regangan serat karbon = tegangan tarik tulangan baja = kuat tarik ultimit serat transversal = tegangan efektif serat transversal = kuat tekan beton = rasio tulangan serat transversal FRP = momen nominal = kuat geser dari beton
V S V N V f s f t f BK = kuat geser dari sengkang = kuat geser nominal = kuat geser dari serat carbon = jarak antar serat fiber = tebal serat fiber = balok bertulang sengkang minimum dan tanpa perkuatan serat woven carbon fiber B U30-100 = balok bertulang dengan perkuatan woven carbon fiber tebal 30 mm dan jarak antar serat 100 mm B U30-200 = balok bertulang dengan perkuatan woven carbon fiber tebal 30mm dan jarak antar serat 200 mm