Konferensi Nasional Teknik Sipil 3 (KoNTekS 3) Jakarta, 6 7 Mei 2009 PENGGUNAAN CARBON FIBRE PADA STRUKTUR BETON BERDASARKAN PERANCANGAN DENGAN STRUT-AND-TIE MODEL Fredrik Anggi Langitan 1, Harianto Hardjasaputra 2, Wiryanto Dewobroto 2 dan Merryana 2 1 Alumni Teknik Sipil, Universitas Pelita Harapan 2 Staf Pengajar Teknik Sipil, Universitas Pelita Harapan ABSTRAK Carbon fibre sudah umum digunakan di dunia konstruksi sebagai bahan perkuatan struktur. Pada penelitian ini, fungsi carbon fibre menjadi pengganti tulangan baja. Untuk mengetahui efektifitas carbon fibre dalam menahan gaya tarik, penelitian ini menggunakan tiga model balok beton, masing masing menggunakan tulangan dan carbon fibre. Carbon fibre yang digunakan ada dua jenis, yaitu Sika Wrap (dipasang pada daerah tarik geser) dan Sika CarboDur (dipasang pada daerah tarik lentur). Perencanaan penulangan balok beton dilakukan dengan metode strut-and-tie model. Berdasarkan batang tarik yang terjadi, dipasanglah carbon fibre dan tulangan dalam jumlah yang sesuai dengan gaya tarik yang terjadi. Hasil penelitian menunjukan bahwa balok yang menggunakan carbon fibre memiliki lendutan lebih kecil dibandingkan balok beton bertulang. Selain itu, balok dengan carbon fibre mempunyai sifat keruntuhan getas (tiba-tiba) dengan beban ultimit yang lebih rendah dari yang direncanakan. Kata kunci: Strut-and-Tie Model, carbon fibre, tulangan, lendutan, getas 1. PENDAHULUAN Dalam perencanaan konstruksi bangunan, penggunaan material beton memiliki tempat yang sangat penting. Tapi dalam pelaksanaan dapat terjadi kesalahan-kesalahan tidak disengaja yang akan mengurangi kekuatan struktur beton. Misalnya, kesalahan memasang tulangan atau berubahnya rancangan awal dari bangunan. Akan lebih baik jika masalah tersebut diketahui perancang lebih awal sehingga perancangan tulangan dapat langsung diganti. Jika masalah tersebut diketahui setelah beton mengeras tentunya akan cukup merepotkan. Maka dari itu diperlukan suatu material yang mampu menambah kekuatan struktur beton tanpa harus merobohkan beton yang telah dicor itu. Salah satu dari bahan perkuatan yang dimaksud adalah carbon fibre. Penggunaan carbon fibre saat ini sudah cukup lazim dalam dunia konstruksi, karena pemasangannya yang sangat praktis yaitu cukup dilekatkan dengan epoxy pada sisi yang diperlukan pada struktur beton. Berdasarkan hal di atas peneliti bermaksud untuk meneliti kekuatan struktur beton tanpa tulangan dengan menggunakan carbon fibre. Struktur beton pada umumnya menggunakan tulangan baja di dalam beton, tapi pada penelitian ini peneliti meneliti berapa besar kemampuan dari sebuah struktur beton jika menggunakan carbon fibre tanpa tulangan sebagai pengganti fungsi tulangan tarik. Peneliti memanfaatkan metode strut-and-tie model dan menggunakan benda uji balok beton. Lalu membandingkan hasil yang didapatkan dari penelitian balok yang menggunakan carbon fibre dengan balok beton bertulang. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui perilaku balok yang menggunakan carbon fibre sebagai struktur utama penahan gaya tarik, dan dibandingkan dengan balok bertulang. Serta untuk mencari tahu apakah perhitungan menggunakan strut-and-tie model dapat diaplikasi ke dalam perencanaan balok dengan carbon fibre. Ruang lingkup penelitian ini mencakup perencanaan balok beton dengan carbon fibre dan balok beton dengan tulangan baja menggunakan metode strut-and-tie model. Peneliti mencari perilaku yang dihasilkan dari balok beton tersebut dan membandingkan hasil yang didapatkan. Penelitian dilakukan di Laboratorium Teknologi Beton yang berada di Universitas Pelita Harapan, dengan menggunakan alat yang ada di laboratorium tersebut. Berdasarkan alat yang ada, sistem pengetesan balok yang dilakukan adalah dengan menggunakan 1 titik pembebenan, sesuai dengan gambar di bawah ini: Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta S - 227
Fredrik Anggi Langitan, Harianto Hardjasaputra, Wiryanto Dewobroto dan Merryana Gambar 1. Sistem Pengetesan Balok 2. PERENCANAAN BALOK UJI Langkah pertama yang dilakukan dalam merencanakan balok dengan strut-and-tie model adalah dengan mendesain aliran gaya dari beban sampai ke tumpuan (load path). Aliran gaya tersebut diwujudkan dalam model rangka batang. Penelitian ini menggunakan tiga model rangka batang, dimana tiap model tersebut dibuat dua balok uji, masingmasing menggunakan tulangan baja dan carbon fibre. Berikut adalah gambaran ketiga model yang digunakan: Seluruh beban P ditransfer melalui mekanisme Truss Gambar 2. STM Balok I Gambar 3. STM Balok II Gambar 4. STM Balok III Carbon fibre Sika CarboDur digunakan untuk menahan gaya tarik horizontal (lentur), lebar pelat yang dipakai selebar 50 mm, diletakkan di bagian bawah struktur balok sebagai panahan gaya lentur. SikaWrap digunakan untuk menahan gaya tarik vertikal, dan lebar yang digunakan bervariasi, tergantung dari besar gaya yang terjadi. S - 228 Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta
Penggunaan Carbon Fibre Pada Struktur Beton Berdasarkan Perancangan dengan Strut-and-Tie Model Beban rencana Gambar 5. SikaWrap dan Sika CarboDur Beban rencana yang digunakan dalam penelitian ini berbeda menurut pada struktur penahan gaya tarik yang digunakan. Untuk balok dengan tulangan baja, digunakan beban rencana sebesar 47 kn. Dan untuk balok dengan carbon fibre menggunakan beban rencana sebesar 60 kn. Beban rencana untuk carbon fibre menggunakan beban yang lebih besar dibanding dengan balok dengan tulangan baja, hal ini dilakukan karena ditakutkan akan kegagalan bonding yang terjadi pada balok dengan carbon fibre. Sehingga diharapkan dari memperbesar beban rencana akan cukup untuk menambah kekuatan dari balok dengan carbon fibre. Perhitungan keperluan carbon fibre dan tulangan baja Dengan Φ = 1 dan f y = kuat leleh tulangan baja A s, req = gaya btg Φ f y F = σ x A x n (2) dengan σ = tensile strength (N/mm 2 ), A = cross section area (mm 2 ) dan n = jumlah yang digunakan Tensile strength Sika CarboDur = 3100 N/mm 2, tapi dalam perencanaan beban rencana diambil 40% jadi tensile strength yang digunakan sebesar 1240 N/mm 2. Demikian juga dengan SikaWrap dari tensile strength yang ada (4300 N/mm 2 ) hanya digunakan 40% dari yang ada, sehingga tensile strength yang digunakan adalah 1720 N/mm 2. Detail carbon fibre dan tulangan baja (1) Gambar 6. Detail Carbon Fibre dan Tulangan Baja yang Digunakan pada Balok I Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta S - 229
Fredrik Anggi Langitan, Harianto Hardjasaputra, Wiryanto Dewobroto dan Merryana Gambar 7. Detail Carbon Fibre dan Tulangan Baja yang Digunakan pada Balok II Gambar 8. Detail Carbon Fibre dan Tulangan Baja yang Digunakan pada Balok III 3. ANALISA DAN PEMBAHASAN Balok I Perkembangan retak yang terjadi pada balok diamati terus selama proses pembebanan dilakukan baik siklus pertama maupun kedua, dan digambarkan secara manual serta diberikan nomor sesuai dengan besar pembebanan yang saat itu dilakukan. Gambar 9. Pola Retak Balok I-CF Retakan pertama pada Balok I-Carbon Fibre ini terjadi pada siklus kedua, yaitu pada beban 26 kn. Dan retak berkembang sejalan dengan pertambahan beban. Balok I-Carbon Fibre mencapai batas ultimate pada saat beban 52.02 kn. Dan pola retak yang dihasilkan menunjukan bahwa Balok I-Carbon Fibre mengalami keruntuhan yang diakibatkan kegagalan bonding. S - 230 Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta
Penggunaan Carbon Fibre Pada Struktur Beton Berdasarkan Perancangan dengan Strut-and-Tie Model Gambar 10. Pola Retak Balok I-Tulangan Dial gauge yang diletakan pada tiga posisi yaitu pada seperempat dan setengah bentang. Gambar 11. Peletakan Dial Gauge Balok II Gambar 12. Grafik Deflection vs Load Perkembangan retak yang terjadi pada balok diamati terus selama proses pembebanan dilakukan baik siklus pertama maupun kedua, dan digambarkan secara manual serta diberikan nomor sesuai dengan besar pembebanan yang saat itu dilakukan. Gambar 13. Pola Retak Balok II-CF Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta S - 231
Fredrik Anggi Langitan, Harianto Hardjasaputra, Wiryanto Dewobroto dan Merryana Retakan pertama pada Balok II-Carbon Fibre ini terjadi pada siklus kedua, yaitu pada beban 23.12 kn. Dan retak berkembang sejalan dengan pertambahan beban. Balok II-Carbon Fibre mencapai batas ultimate pada saat beban 49.13 kn. Dan pola retak yang dihasilkan menunjukan bahwa Balok II-Carbon Fibre mengalami keruntuhan yang diakibatkan kegagalan bonding. Gambar 14. Pola Retak Balok II-Tulangan Dial gauge yang diletakan pada tiga posisi yaitu pada seperempat dan setengah bentang. Gambar 15. Peletakan Dial Gauge Balok III Gambar 16. Grafik Deflection vs Load Perkembangan retak yang terjadi pada balok diamati terus selama proses pembebanan dilakukan baik siklus pertama maupun kedua, dan digambarkan secara manual serta diberikan nomor sesuai dengan besar pembebanan yang saat itu dilakukan. S - 232 Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta
Penggunaan Carbon Fibre Pada Struktur Beton Berdasarkan Perancangan dengan Strut-and-Tie Model Gambar 17. Pola Retak Balok III-CF Retakan pertama pada Balok III-Cabon Fibre ini terjadi pada siklus kedua, yaitu pada beban 23.12 kn. Dan retak berkembang sejalan dengan pertambahan beban. Balok III-Carbon Fibre mencapai batas ultimate pada saat beban 52.02 kn. Dan pola retak yang dihasilkan menunjukan bahwa Balok III-Carbon Fibre mengalami keruntuhan yang diakibatkan kegagalan bonding. Gambar 18. Pola Retak Balok III-Tulangan Gambar 19. Peletakan Dial Gauge Gambar 20. Grafik Deflection vs Load Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta S - 233
Fredrik Anggi Langitan, Harianto Hardjasaputra, Wiryanto Dewobroto dan Merryana 4. KESIMPULAN Dari hasil penelitian pada balok dengan carbon fibre yang dilakukan didapatkan hasil bahwa pola retak yang terjadi terkonsentrasi pada tengah balok, beban ultimate yang dihasilkan belum sesuai target karena keruntuhan yang terjadi diakibatkan karena kegagalan bonding, serta lendutan yang dihasilkan lebih kecil dibandingkan dengan balok dengan tulangan. Keruntuhan balok dengan carbon fibre bersifat non-daktail (getas), keruntuhan balok dengan tulangan baja bersifat daktail. 5. UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih kepada Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat (LPPM) Universitas Pelita Harapan yang mendanai penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA Hardjasaputra, Harianto dan Steffie Tumilar. Model Penunjang dan Pengikat (Strut-and-Tie Model) Pada Perancangan Struktur Beton. Karawaci: Universitas Pelita Harapan Press, Agustus 2002. Hardjasaputra, Harianto. Struktur Beton I. Karawaci: Univesitas Pelita Harapan, 2005. MacGregor, J.G., Reinforced Concrete, Mechanics, and Design, Prenrice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1988. Reineck, Karl-Heinz, Examples for the Design of Structural Concrete with Strut-and-Tie Models, aci international, United States of America, 2002. Wong, Rita S. Y.; Vecchio, Frank J. (2003). Towards Modeling of Reinforced Concrete Members with Extenally Bonded Fiber-Reinforced Polymer Composites, ACI Structural Journal, V. 100, No. 1, January-February 2003, 47-54. S - 234 Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta