SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5 S-61 Universitas Sumatera Utara, Medan - 14 Oktober 2011

PERILAKU KEKUATAN LENTUR BALOK BETON BERTULANG DENGAN CFRP GRID DAN PCM SHOTCRETE

A. Arwin Amiruddin1

1Program Studi Teknik Sipil, Universitas Hasanuddin Makassar, Jl. Perintis Kemerdekaan Km.10 Email: a.arwinamiruddin@yahoo.com

ABSTRAK Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) Grid adalah material tidak korosi dan dewasa ini banyak dipergunakan sebagai alternatif tulangan pada struktur beton. Material CFRP grid ini dalam aplikasinya tidak hanya sebagai material baru tetapi juga dapat dipergunakan untuk memperkuat (strengthening) struktur beton. Salah satu metode peningkatan kekuatan yang sedang dikembangkan adalah dengan memperkuat menggunakan polymer cement mortar (PCM) shotcrete dan CFRP grid. Dalam hubungannya dengan peningkatan kekuatan lentur, serangkaian penelitian yang berkaitan dengan CFRP grid sebagai tulangan dengan PCM shotcrete telah dilakukan di Jepang. Dalam penelitian ini, terdapat 2 (dua) tipe dari material uji dimana CFRP yang digunakan adalah CMR-13 1 lapis (elastisitas tinggi). Untuk tipe 1 adalah balok beton bertulang normal yang dijadikan sebagai kontrol dalam penelitian. Pada tipe 2 menggunakan CMR-13 1 lapis dan PCM ber-kekuatan tinggi dengan metode shotcrete. CMR-13 dipasang di daerah bawah balok beton bertulang (daerah lentur) untuk meningkatkan kekuatan lentur material uji dengan pengujian lentur (four point bending test). Dari hasil uji kekuatan lentur mengidentifikasikan bahwa material uji dengan CMR-13 1 lapis lebih efektif dalam meningkatkan kekuatan lentur dengan PCM shotcrete ber-kekuatan tinggi. Dalam perencanaan (design), kekuatan lentur balok kontrol adalah 46kN dengan defleksi 4.12mm sementara dengan CMR13@75 mm 1 lapis adalah 230kN dengan defleksi 14.16mm. Perilaku antara beban-defleksi memperlihatkan bahwa kekuatan lentur balok beton bertulang dengan CMR13-75 mm 1 lapis meningkat sampai melebihi 3 kali kekuatan lentur balok kontrol.

Kata kunci: strengthening, CMR13-75 mm – 1 lapis, PCM dengan metode shotcrete, kekuatan lentur

PENDAHULUAN 1.Fiber reinforced plastics (FRP) adalah suatu material yang diasumsikan sebagai linear elastis. Sehingga kegagalan lentur dari suatu penampang dengan tulangan FRP dapat disebabkan oleh kerusakan FRP atau kerusakan beton. Kekuatan lentur ultimit untuk kedua mode kegagalan ini dapat dikalkulasi menggunakan sebuah metodologi yang sama seperti pada penampang baja tulangan. Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) grid pada dewasa ini sudah menjadi material yang popular digunakan untuk meningkatkan kekuatan pada struktur beton seperti terlihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Type dari CFRP grid

Sebagai material pembungkus (retrofit) dan material untuk lekatan luar, permukaan CFRP grid dengan material polymer cement mortar (PCM) shotcrete menjadi masalah yang perlu dilakukan studi dalam hubungannya dengan efektif transfer tegangan. Terdapat 3 macam metode retrofit pada pilar jembatan, yaitu retrofit dengan beton (concrete), retrofit dengan pelat besi (steel jacketing), dan retrofit dengan Fiber Reinforced Plastics (FRP) sheet. Diantara ke-3 macam type retrofit, memiliki kelebihan dan kelemahan baik ditinjau dari segi biaya, waktu kerja

Struktur

S-62 SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5 Universitas Sumatera Utara, Medan - 14 Oktober 2011

maupun ketebalan dari pilar setelah retrofit.CFRP grid kekuatan tinggi (high strength) secara umum memiliki kekuatan tarik yang lebih besar dari kekuatan leleh besi tulangan, walaupun CFRP grid tidak mengalami leleh. Menggunakan beton sebagai material retrofit pada pilar beton akan memberikan ketebalan baru meningkat menjadi 250mm dan jika hal ini dipertahankan sampai masa yang akan datang maka ketidak-ekonomisan dari metode ini akan nampak. Olehnya itu, untuk mengurangi ketebalan beton baru tetapi memiliki kekuatan (strength), ketahanan terhadap korosi maka dipergunakanlah polymer cement mortar (PCM) sebagai material retrofit baru. Dengan PCM dan penambahan besi tulangan, ketebalan dari pilar beton hanya menjadi 54mm atau lebih langsing 1/5 kali dari retrofit dengan beton. Dengan menggunakan PCM dan CFRP grid sebagai material retrofit mengurangi ketebalan pilar menjadi 19mm atau 1/12 kali dari retrofit dengan beton. PCM adalah dibuat dengan mencampurkan sebagian cement hydrate binders dari konvensional semen mortar dengan polymer. PCM dalam penggunaannya dibedakan menjadi PCM ber-kekuatan tinggi (high strength) dan PCM ber-elastisitas rendah (low elasticity). PCM ber-elastisitas rendah biasanya dipergunakan untuk memperbaiki slab bridge, di bawah permukaan (under surfaces) dan main girder bridge. Sementara itu, untuk PCM ber-kekuatan tinggi dipergunakan untuk meminimais korosi dari besi tulangan dan untuk memperbaiki pilar beton, normal tunnel, aqueduct tunnel, box culvert dan dinding (wall). Ada 2 metode dalam melekatkan PCM ke permukaan beton, yaitu dengan metode plester dan metode menembak (shotcrete). Untuk metode shotcrete dibedakan dengan 2 cara, yaitu campuran kering (dry-mix shotcrete) dan campuran basah (wet-mix shotcrete). Adapun keuntungan dengan menggunakan metode shotcrete ini adalah lekatan yang baik (excellent bonding), berkekuatan tinggi, absorbsi yang rendah, baik untuk melindungi dari serangan kimia (korosi), pengerjaan relatif mudah, dan biaya relatif rendah.

MATERIAL BENDA UJI 2.Carbon Reinforced Plastics (CFRP) grid adalah meterial penulangan yang cocok untuk beton atau material-material lainnya, seperti polymer cement mortar (PCM). Peningkatan kapasitas lekatan antara CFRP grid dengan PCM adalah penting untuk mengetahui efek dari aksi penulangan terhadap peningkatan kemampuan menahan gaya gempa. Untuk mendukung ini, maka diadakan studi dengan membuat material benda uji balok beton yang dibedakan menjadi 2 tipe dan masing-masing type terdiri dari 3 benda uji beton. CFRP grid yang digunakan adalah type high elasticity carbon fiber yaitu, CMR-13. Type 1 adalah balok beton normal tanpa CFRP grid yang diasumsikan sebagai balok kontrol, dan type 2 adalah PCM kekuatan tinggi (tebal 19 mm) dengan CMR-13 yang dipasang di sisi lentur (bagian bawah balok beton normal) sebanyak 1 (satu) lapis dengan ketebalan grid 8 mm dan jarak antar grid 75 mm seperti terlihat pada Gambar 2.

Gambar 2. Type benda uji balok beton

Komponen yang digunakan dalam penelitian ini adalah beton, PCM berkekuatan tinggi, baja tulangan dan CFRP grid ber-elatisitas tinggi (CMR-13) berturut-turut dapat dilihat pada Tabel 1, 2, dan 3. Adapun type grid yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 3. Perbandingan baja tulangan dan volume dari beton menggunakan rasio 0.39 %, sementara baja tulangan (D10:SD295A) didesain untuk tulangan geser dan tulangan longitudinal. Tulangan geser memiliki spasi 50 mm dan tulangan longitudinal ber-spasi 100 mm. Baja tulangan didesain untuk balok beton normal (balok kontrol) sebesar 180 N/mm2. Sedangkan untuk CMR-13@75 mm 1 lapis untuk type 2 didesain sebesar 400 N/mm2. Beton didesain sebagai beton normal 30 N/mm2. Untuk melihat langkah-langkah pembuatan benda uji dapat dilihat pada Gambar 4.

SD295A D10@300

SD295A D10@100

SD295A D10@50

SD295A D10@100

SD295A D10@200SD295A D10@50

CMR-13@75(1layer)PCM high strength,

t=19mm

CMR-13@75(1layer)

PCM,t=19mm

(a) Type 1

(b) Type 2

Struktur

SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5 S-63 Universitas Sumatera Utara, Medan - 14 Oktober 2011

Tabel 1. Material beton dan PCM

Material Kuat tekan Kuat tarik Elastisitas

(N/mm2) (N/mm2) (N/mm2)

Beton normal Desain 30.0 2.22 2.80 x 104

Eksperimen 43.6 2.85 3.28 x 104

PCM Desain 68.2 3.16 2.70 x 104

ber-kekuatan tinggi Eksperimen 36.3 3.60 -

Tabel 2. Material baja tulangan

Material Diameter Kuat leleh Kuat tarik

(mm) (N/mm2) (N/mm2)

SDA 295A Desain

10 295 -

Eksperimen 372 543

Tabel 3. Material CFRP grid

CFRP grid Luas/grid Kuat tarik izin, ft Kuat tarik, ft (N/mm2) Elastisitas, E (N/mm2)

(N/mm2) Desain Eksperimen Desain Eksperimen

CMR-13 65.0 400 1,200 1,371 1.65 x 105 1.72 x 105

Gambar 3. Type dari CMR-13@75 mm 1 lapis

(1) balok beton normal, (2) memasang CMR13-1lapis, (3) membersihkan dari partikel asing, (4) memasang strain

gauges

Gambar 4. Prosedur pembuatan benda uji

1 2 3 4

Struktur

S-64 SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5 Universitas Sumatera Utara, Medan - 14 Oktober 2011

(a) Pengujian lentur (b) Ilustrasi dari sistem beban

Gambar 5. Foto balok pada saat dibebani dan sistem beban

PROGRAM PENGUJIAN 3.Instrument dan prosedur pengujian dengan pengujian lentur dapat dihat pada Gambar 5. Prosedur pengujian terdiri dari 2 (dua) tahapan. Tahapan pertama (pre-peak), beban diberikan dengan untuk sebagai kontrol dalam peningkatansampai beban ultimit. Beban diberikan tahap demi tahap dengan beban 1 kN per-tahap dengan hydraulic jack 1,700 kNdan diukur dengan menggunakan load cellsebesar 500 kN. Dalam tahap kedua (post –peak), bagian tengah (mid-span) digunakan sebagai kontrol. Di tahap ini, beban diberikan dengan kecepatan displacemen diukur sampai akhir dari tes. Selama tes, penjalaran retak di gambar dan dimonitor.

PEMBAHASAN DAN DISKUSI 4.Gambar 6 memperlihatkan perbandingan dari hasil eksperimen terhadap nilai desain pada beban maksimum. Pada type 1 menghasilkan kegagalan tekan-lentur sesuai dengan desain, selanjutnya perbandingan antara eksperimen dan desain menunjukkan nilai 1.21. Pada type 2 kegagalan terjadi pada permukaan (interface) CMR13 pada beban maksimum dan diperoleh perbandingan eksperimen terhadap desain sebesar 0.77. Ini menunjukkan bahwa kekuatan lekatan pada permukaan CMR13 terhadap PCM tidak cukup untuk menahan slip. Pada sisi lainnya diperoleh bahwa tegangan tarik baja tulangan (180 N/mm2) diperoleh sebuah rasio 1.06 untuk perbandingan antara hasil eksperimen dengan nilai desain. Begitu juga dengan tegangan tarik dari CMR13 (400N/mm2) diperoleh rasio eksperimen dengan desain 0.94. Di Gambar 7, pada hubungan antara beban dan defleksi (deflection) memperlihatkan bahwa perkuatan lentur dengan CMR13@75 mm – 1 lapis dan penggunaan PCM ber-kekuatan tinggi dapat secara singnifikan meningkat melalui penguatan lentur. Kemampuan perkuatan balok dengan CMR13@75 mm – 1 lapis pada pengujian lentur menunjukkan untuk type 2 mengalami kegagalan dikarenakan terjadinya slip antara CMR13 dengan permukaan PCM dan ini menunjukkan tidak cukupnya kekuatan lekatan antara keduanya pada beban maksimum. Gambar 8 memperlihatkan hubungan beban dan regangan tekan beton, baik dari hasil eksperimen maupun desain. Kegagalan tekan lentur pada balok beton terjadi jika regangan tekan beton mencapai 3,500 m. Oleh karena itu, didasarkan dari hasil eksperimen dan desain diperoleh bahwa pada type 1 mengalami kegagalan tekan lentur. Pada type 2 dengan retrofit CF grid dan PCM ber-kekuatan tinggi secara signifikan meningkatkan kekuatan tekan lentur balok. Dengan menggunakan CF grid, tegangan tarik pada daerah area tarik dari balok dapat meningkat dengan mencakup transfer dari tegangan tarik CF grid terhadap balok beton sehingga efek lentur menjadi lebih kecil jika dibandingkan tanpa menggunakan material retrofit. Gambar 9 memperlihatkan hubungan beban dan regangan tarik baja tulangan. Pada grafik ini meperlihatkan bahwa setelah beban retak dilampaui, regangan baja tulangan meningkat sampai kondisi leleh (yield). Namun, pada type 1 regangan tarik baja tulangan hanya sampai pada 1,600 – 1,900 m mengalami stagnan sementara beban masih diberikan pada balok beton. Pada desain, baja tulangan leleh setelah 1,860 m, sementara pada type 2 tegangan tarik maksimum diperoleh 1,866 m. Type 1 sebagai balok kontrol, baja tulangan mengalami leleh dan ini menunjukkan bahwa balok beton tanpa retrofit tidak memiliki kekuatan yang cukup untuk mencegah terjadinya kegagalan tekan lentur.

FRP Grid（CMR5～13）

PCM high strength

Concrete, f'ck=30N/mm

SD295A D10 @50

2

Struktur

SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5 S-65 Universitas Sumatera Utara, Medan - 14 Oktober 2011

Gambar 6. Perbandingan nilai eksperimen dan nilai desain

Gambar 7. Hubungan antara beban dan defleksi Gambar 8. Hubungan antara beban dan regangan tekan beton

Gambar 9. Hubungan antara beban dan regangan

tarik baja tulangan

Gambar 10. Hubungan antara beban dan regangan tekan baja tulangan

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30

D isplacem en （m m ）

Beban （kN

）

Type1

Type2

T ype1（design）

T ype2 (desain）

0

50

100

150

200

250

-3500 -2500 -1500 -500 500 1500 2500

R egangan （μ）

Beban （kN

）

Type1

Type2

T ype1 （design)

T ype2 （design）

0

50

100

150

200

250

0 2000 4000 6000

R egangan （μ）

Beban （kN

）

Type1

Type2

T ype1（design）

T ype2（design）

0

50

100

150

200

250

-500 500 1500 2500 3500

R egangan （μ）

Beban （kN

）

Type1

Type2

T ype1（design）

T ype2（design）

0

50

100

150

200

250

300

350

0 50 100 150 200 250 300 350

D esain (kN )

Exp

erimen (kN

)

（a）-T ype1

（a）-T ype2

（b）-T ype2

（c）-T ype1

（c）-T ype2

Tegangan tarik baja tulangan

Tegangan tarik CMR- 13@75 mm –

1 lapis

Tegangan tarik izin

Struktur

S-66 SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5 Universitas Sumatera Utara, Medan - 14 Oktober 2011

Gambar 11. Hubungan antara beban dan regangan tarik CF grid

Gambar 10 memperlihatkan hubungan beban dan regangan tekan baja tulangan. Type 1 sebagai balok kontrol mengalami kegagalan tekan lentur. Balok dengan penguatan lentur (type 2), mengalami kegagalan pada tengah bentang, dengan baja tulangan leleh diikuti dengan kegagalan tekan lentur pada bagian atas dari balok beton. Penjalaran retak yang diperoleh dari hasil eksperimen sesuai dengan prediksi desain. Pada type 2, nilai regangan tekan baja tulangan adalah 765 m dan 886 m. Pada Gambar 11 memperlihatkan beban ultimit balok type 2 adalah 220.9 kN lebih besar dari kekuatan lenturnya. Regangan tarik CF grid dari balok untuk type 2 adalah 5,297 m, sementara untuk desainnya sebesar 7,273 m sehingga jika dibandingkan dengan hasil eksperimen memperlihatkan kelakuan yang sama dengan desain, dimana CF grid tidak mengalami kerusakan pada beban maksimum melainkan hanya slip yang terjadi antara CF grid dengan permukaan PCM. Hal ini menunjukkan bahwa kekuatan lekatan antara keduanya tidak mencukupi untuk mencegah terjadinya slip. Gambar 12 memperlihatkan hubungan regangan tarik CF grid dan panjang bentang balok beton. Pada gambar ini dapat dilihat distribusi regangan tarik CF grid sepanjang bentang balok beton pada level beban 100 kN. Sebuah peningkatan tiba-tiba dari regangan tarik CF grid dapat di teliti pada daerah retak (cracked zones) dari balok beton, pada daerah ini reduksi regangan antar retak dikarenakan tension softening. Pada type 2, mengalami slip pada sekitar 400 – 600 mm dari tengah bentang.

Gambar 12. Hubungan antara regangan tarik CF grid dan panjang bentang (P=100 kN)

0

50

100

150

200

250

-500 1500 3500 5500 7500 9500

R egangan （μ）

Beban （kN

）

Type2

T ype2（design）

0

1000

2000

3000

-800 -400 0 400 800

P anjang bentang （m m ）

Rega

nga

n （μ

）

Type2

T ype 2 （design）

Struktur

SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5 S-67 Universitas Sumatera Utara, Medan - 14 Oktober 2011

Gambar 13. Penjalaran retak dan mode kegagalan balok beton

Gambar 13 dapat dilihat penjalaran retak dan mode kegagalan dari balok beton dalam menerima beban lentur.

KESIMPULAN 5.Sebelum terjadi retak, semua balok beton yang diperkut dengan kekuatan lentur (CMR13@75 mm 1 lapis) sama perilakunya dengan balok beton yang tidak diperkuat. Ini menunjukkan bahwa CMR13@75 mm 1 lapis tidak dapat berkontribusi untuk meningkatkan kekakuan dan kekuatan pada daerah elastis. Namun setelah retak, kekakuan dan kekuatan lentur dari balok yang diretrofit memperlihatkan peningkatan secara segnifican dibandingkan dengan balok beton tanpa retrofit sampai mengalami kegagalan. Dalam perencanaan (design), kekuatan lentur balok kontrol adalah 46kN dengan defleksi 4.12mm sementara dengan CMR13@75 mm - 1 lapis adalah 230kN dengan defleksi 14.16mm. Perilaku antara beban-defleksi memperlihatkan bahwa kekuatan lentur balok beton bertulang dengan CMR-13 1 lapis meningkat sampai melebihi 3 kali kekuatan lentur balok kontrol.

DAFTAR PUSTAKA Japan Road Association (2003), ”Specification for Highway Bridges Part V”, Seismic Design, Japan. (English

Translation) JSCE Standard (2002), “Standard Specifications for Concrete Structures”, Structural Performance Verification,

Jepang, pp. 60-69. (English Translation) Nakamura, S., Yamaguchi, K., Amiruddin, A., Taniguchi (2009), “Bending Strengthening Effect of RC Beams used

Layer of CFRP Grid with PCM Shotcrete”, Japan Concrete Institute (JCI), Vol.31, No.2, Sapporo, Japan, pp.1429-1434.

Shima, H., Chou, L. L., Okamura, H. (1987), “Micro and Macro Models for Bond in Reinforced Concrete”, Journal of The Faculty Of Engineering, The University of Tokyo, Vol. XXXIX, No.2, Tokyo, Japan, pp.133-194.

Xue, W., Wang, X., Zhang, S. (2008), “Bond Properties of High-Strength Carbon Fiber-Reinforced Polymer Strands”, ACI Material Journal, Vol.105, No.1, pp.11-19.

Yamaguchi, K., Hino, S., Nakamura, S., Amiruddin, A. (2008), “Study on Bond Characteristics of Existing RC Pier’s Interface used Mortar for Shotcrete”, Japan Concrete Institute (JCI), Vol.30, No.3, Fukuoka, Japan, pp.1285-1290.

Watanabe, H., Hino, S., Yamaguchi, K., Amiruddin, A. (2009), “Experimental Research into Adhesion Strength in CFRP Grid where Contact”, Japan Concrete Institute (JCI), Vol.31, No.2, Sapporo, Japan, pp.1411-1416.

Type 1 Kegagalan tekan lentur

Type 2 Beton dan PCM terpisah

Struktur

S-68 SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5 Universitas Sumatera Utara, Medan - 14 Oktober 2011