Download - Mekanisme retakan pada beton
-
8/18/2019 Mekanisme retakan pada beton
1/17
BAB I
PENDAHULUAN
Sebagai ilmuwan penelitian dan insinyur yang berlatih dan bekerja di bidang
rekayasa struktur serta yang tanggung jawab, hampir secara eksklusif menganalisis tentangretak struktur beton baik bertulang maupun tidak yang digunakan untuk evaluasi keselamatan
dan renovasi desain infrastruktur pada saat ini. Dengan mempelajari keretakan di berbagai
struktur beton melalui berbagai analisis tentunya untuk mengetahui batas – batas dimana
beton maupun struktural non beton bisa bertahan sampai sejauh mana terkait dengan
keselamatan pengguna bangunan.
Kita perlu untuk membahas berbagai mekanisme yang retak terjadi dan mengevaluasi
efek kerusakan yang ditimbulkan oleh retakan pada struktur tersebut. Analisis retakan sangat
diperlukan dalam menjawab pertanyaanpertanyaan ini, dan analisis ini adalah bidang
menarik studi di beton struktural ataupun yang lainnya.
Dalam bab selanjutnya akan dibahas konsep dan prosedur untuk analisis retakan dan
rambatan yang terjadi pada material dan aplikasinya. Kelelahan secara teknis mekanisme
perambatan retak yang paling penting meliputi sebagian dari bab ! faktor lingkungan yang
ditunjang atau gabungan tegangan akibat korosi dan kelelahan bahan material atau struktural
yang terintegrasi ". #egangan yang ditimbulkan akibat korosi dengan sendirinya tercakup
dalam satu bagian, tetapi$ ini bukan karena tidak dianggap penting, tetapi karena tegangan
akibat korosi dapat ditanggulangi oleh pencegahan dan bukan dengan kontrol, sedangkan
untuk prosedur analisis pada dasarnya sama.
-
8/18/2019 Mekanisme retakan pada beton
2/17
BAB II
DASAR TEORI
II. 1 RETAKAN dan RAMBATAN
Setiap bahan struktural memiliki cacat seperti retak, yang paling ekstrim adalah
tegangan yang terpusat atau stress concentrator .
Stress concentrator %etakan
Ada cacat pada bahan material yang diakibatkan oleh teknologi dalam proses pembuatannya
yang ditunjukkan pada diagram A dan & di bawah ini,
Adapun retak yang timbul karena kelelahan suatu bahan material yakni ditampilkan pada
gambar ', D, (, dan ada pula yang disebabkan oleh korosi !)", atau retak karena suhu *
thermal .
'acat yang paling berbahaya adalah tegak lurus terhadap tegangan tarik yang ada
dalam material itu sendiri. Sebuah cacat*retakan permukaan lebih berbahaya daripadacacat*retakan di dalam material dengan ukuran yang sama. +al ini memberikan kemudahan
-
8/18/2019 Mekanisme retakan pada beton
3/17
untuk memeriksa cacat*retakan yang terjadi pada permukaan dari bagian poripori suatu
material tersebut.
%etakan yang terjadi di tengah suatu material
%etakan yang terjadi pada permukaan suatu material
Dalam teori perambatan retak !Theory of crack propagation", ada !tiga" aspek perambatan
retak yang perlu dipertimbangkan yaitu $
-. kuran keretakan !crack size". kuran retak kritis merupakan fungsi dari
tegangan dan ketangguhan patah material yang didefinisikan dari persamaan/
K0' 1 s f !ac p" 2,3 di mana K adalah ketangguhan patah, s adalah stress
!design property), dan acadalah ukuran retak kritis untuk kegagalan!deteksi
tergantung pada teknik 4D) !ukuran deteksi berbanding terbalik dengan biaya".
5. 6ona plastis ada di ujung retakan. &ahan rapuh memiliki kemampuan sedikit
plastis berubah bentuk, sehingga mudah retak merambat. &ahan ulet dengan
mudah dapat merusak di ujung retak, yang menumpulkan ujung dan
menghasilkan energi tambahan !kekuatan" untuk memajukan ujung retak.
. Ketebalan !t". Ketebalan material adalah fungsi dari ketangguhan material
terhadap retak. &ila hubungan bentuk patahan terhadap mikrostruktur
merupakan hal yang dianggap penting, maka profil retakan diuji dengan kehati
hatian harus dilakukan untuk menjaga bagian ujung benda yang diuji.
-
8/18/2019 Mekanisme retakan pada beton
4/17
(raktur Transganular
7erpecahan dalam material crystallin yang paling rapuh, perambatan retakan yang
dihasilkan dari pemecahan ikatan atom yang berulang pada bidang tertentu. +al ini yang
menyebabkan perpatahan transganular dimana retakan tebagi !pecah" menjadi butiran.
(raktur Intergranular
Kerusakan intergranular biasanya terjadi karena penipisan * penurunan unsur
chromium pada batas butir atau semacam melemahnya batas butir akibat serangan kimia,
oksidasi, kerapuhan ! embrittlement "
LINGKUP PEMBAHASAN MEKANISME FRAKTUR/PATAHAN/RETAKAN
II . 2 MEKANISME RETAK PADA MATERIAL LOGAM
-
8/18/2019 Mekanisme retakan pada beton
5/17
#iga micro mekanisme retakan yang terjadi pada logam$ !a" retakan daktail, !b" pembelahan,
dan !c" retakan intergranular
%)#AKA4 DAK#A08
9ambar skematik menggambarkan perilaku tarik uniaksial dalam logam yang daktail.
Suatu kondisi dimana bahan pada akhirnya mencapai titik ketidakstabilan, di mana
pembesaran regangan tidak diimbangi oleh luas penampang bahan tersebut, dan terbentuklah
retakan – retakan pada permukaan bahan akibat beban tidak dapat menahan beban maksimum
yang terjadi.
#ahapan yang biasa terlihat di pada retakan pada bahan yang daktail adalah sebagai berikut$
-. 7embentukan permukaan bebas pada fase kedua dari suatu partikel, atau terjadinya
dekohesi antarmuka suatu partikel atau retakan partikel.
5. #erjadi kekosongan atau lepasnya ikatanikatan sekitar partikel, pada saat terjadi
regangan plastis dan tegangan hidrostatik.
. Koalesensi dari pertumbuhan lubang*retakan yamg terjadi pada lubang*retakan
yang berdekatan.
0lmuwan 9oods dan &rown telah mengembangkan sebuah model dislokasi untuk
nukleasi lubang yang ditinjau hingga submikron partikel. :ereka memperkirakan bahwa
-
8/18/2019 Mekanisme retakan pada beton
6/17
dislokasi dekat partikel meningkatkan tegangan pada antarmuka tiaptiap partikel dengan
perumusan sebagai berikut$
Dimana $ ; 1 bilangan konstan dengan nilai antara 2,-< – 2,
= 1 modulus geser
Ɛ-1 tegangan normal maksimum
b 1 besarnya &urger>s vektor
r 1 radius partikel
7)%#:&+A4 8&A49
Setelah lubang terbentuk, regangan plastis lebih lanjut dan tegangan hidrostatik
menyebabkan rongga tumbuh dan akhirnya menyatu.
9ambar A 9ambar &
9ambar A dan 9ambar & adalah gambar mikroskop elektron !S):" fractographs
menunjukkan bahwa permukaan retakan yamg berlubang dan khas dengan perpaduan lubangmikro. 9ambar & menunjukkan inklusi bahwa lubang tersebut mengalami nukleasi .
-
8/18/2019 Mekanisme retakan pada beton
7/17
9ambar skematik menggambarkan pertumbuhan dan perpaduan dari beberapa lubang micro.
?ika volume awal fraksi lubang rendah ! @ -2", masingmasing kekosongan dapat
diasumsikan tumbuh secara mandiri/ pada tahap pertumbuhan, lubang yang terdekat
berinteraksi. %egangan plastis terkonsentrasi di sepanjang lubang, pengekerucutan bahan
akan mengakibatkan ketidakstabila. Brientasi perambatan retakan tergantung pada keadaan
tegangan.
9ambar pembentukan cangkir dan kerucut permukaan retakan dalam tegangan uniaksial$ !a" pertumbuhan
lubang pada tegangan triaksial, !b" pembentukan retakan dan deformasi, !c" nukleasi pada partikel yang lebih
kecil di sepanjang deformasi, dan !d" cup dan patahan kerucut.
Cup dan patahan kerucut dalam stainless steel austenitik. (otofoto courtesy of 7.#. 7urtscher.en dari 7urtscher,
7#, CC :icromechanisms dari %etakan Daktail dan %etakan dalam Kekuatan #inggi Austenitic Stainless Steel
7h.D.. Disertasi, 'olorado School of :ines, 9olden, 'B, -EE2.
-
8/18/2019 Mekanisme retakan pada beton
8/17
:ekanisme untuk rambatan retakan daktail$ !a" keadaan awal, !b" pertumbuhan lubang di ujung retakan, dan, !c"
perpaduan lubang dengan ujung retak.
#egangan dan regangan menjelang ujung retak, ditentukan oleh analisis metode elemen hingga. Diambil dari
:c:eeking, %.:. dan #aman, D:, CC Bn Kriteria ?Dominasi 'rack#ip (ields di Skala &esar AS#: S#7 FFG,
American Society for #esting dan :aterial, 7hiladelphia, 7A, -EHE, hlm. -H3-E
-
8/18/2019 Mekanisme retakan pada beton
9/17
:aterial nonlogam dalam hal ini material struktural seperti plastik, keramik, dan
komposit dalam sejumlah aplikasi. %ekayasa plastik memiliki sejumlah keuntungan,
termasuk biaya rendah, kemudahan fabrikasi, dan ketahanan korosi. Keramik menyediakan
tampilan yang superior dan tahan terhadap rangkak. Komposit menawarkan rasio kekuatan
tinggi * berat badan, dan memungkinkan insinyur untuk merancang bahan dengan sifat elastisdengan kondisi suhu tertentu.
&ahan bukan logam seperti beton terus digunakan secara luas. 4onlogam yang
seperti logam, tidak kebal terhadap patah. Kurangnya daktilitas beton !relatif terhadap baja"
membatasi jangkauan aplikasi. Dibandingkan dengan retakan logam, penelitian perilaku
retakan pada bahan nonlogam adalah pada masa rambatan. &anyak dari kerangka teoritis
yang diperlukan belum sepenuhnya dikembangkan untuk nonmetals, dan ada banyak contoh
di mana mekanika konsep retakan yang berlaku untuk logam telah disalahgunakan untuk
bahan lainnya.
&ab ini memberikan gambaran singkat tentang keadaan saat ini pemahaman retak dan
kegagalan mekanisme dalam bahan struktural bukan logam yang dipilih. :eskipun cakupan
subjek jauh dari sempurna, bab ini harus memungkinkan pembaca untuk memperoleh hasil
dari beragam perilaku retak berbagai bahan dapat ditunjukkan.
PLASTIK / POLYMER
7erilaku fraktur bahan polimer barubaru ini telah menjadi perhatian utama, karena
rekayasa plastik * polymer telah mulai muncul dalam aplikasi struktural. Dalam kebanyakan
produk yang terbuat dari polimer !misalnya, mainan, kantong sampah, rumput furniture, pipa,
atap dll". ntuk bahan struktural dalam hal ini adalah pipa gas alam polymer, sayap pesawat
terbang dll, retakan yang terjadi pada bahan struktural tersebut bagaimanapun dapat memiliki
konsekuensi yang mengerikan. &eberapa buku yang ditujukan sematamata untuk retakan dan
kelelahan plastik*polymer telah diterbitkan di barubaru ini.
7olimer didefinisikan sebagai penyatuan dua atau lebih senyawa yang disebut mer.
#ingkat polimerisasi adalah ukuran dari jumlah unitunit ini dalam molekul tertentu. rekayasa
khas plastik terdiri dari rantai yang sangat panjang, dengan derajat polimerisasi pada urutan
beberapa ribu. 7olietilen, polimer dengan struktur molekul yang relatif sederhana. Senyawa
pembangun dalam hal ini adalah etilena !' 5 + ", yang terdiri dari dua atom karbon bergabung dengan ikatan ganda, dengan dua atom hidrogen melekat pada setiap atom karbon.
?ika energi mencukupi diterapkan untuk ini senyawa, ikatan ganda dapat rusak, menghasilkan
dua radikal bebas yang dapat bereaksi dengan lainnya kelompok etilen.
-
8/18/2019 Mekanisme retakan pada beton
10/17
7engaruh suhu dan waktu pada modulus polimer amorf$ !a" modulus dibandingkan suhu pada waktu
yang tetap dan !b" modulus terhadap waktu pada suhu yang tetap.
:odel mekanik sederhana yang berguna untuk memahami respon viskoelastic polimer. #iga model seperti diilustrasikan pada 9ambar dibawah ini
#he :aIwell :odel !a" terdiri dari pegas dan sebuah dashpot dalam seri, di mana
dashpot adalah piston bergerak dalam silinder dengan cairan kental. :odel Joigt !b" berisi air
dan dashpot secara paralel. 9ambar !c" menunjukkan :aIwell Joigt gabungan :odel.
Dimana $ 1 energi aktivasi untuk kekentalan cairan !yang mungkin tergantung pada
suhu"
# 1 temperatur absolut
% 1 konstanta gas !!1 G.-< ?*!mole K""
8)8)+ DA4 %)#AK 7ADA 7B80:)%
-
8/18/2019 Mekanisme retakan pada beton
11/17
Dalam sudut pandang global leleh dan retak pada polimer hampir sama dengan
material logam, namun secara mikroskopia retakan yag terjadi pada polimer berbeda dari
logam. 7olimer tidak mengandung crystallographic planes, dislocations, and grain
boundaries. :ereka terdiri dari rantai molekul yang panjang.
(aktorfaktor yang mengatur ketangguhan dan keuletan molekul polimer meliputi lajuregangan, temperatur, dan struktur molekul. 7ada suhu tingkat tinggi atau rendah !relatif
untuk menjadi rapuh, karena ada insufficient waktu untuk bahan pada saat menanggapi
tegangan dengan skala besar yang menimbulkan deformasi viskoelastic dan leleh pada
polimer itu sendiri.
:ekanisme keretakan di polypropylene secara mikroskopis. (oto oleh :. 'ayard.
Skematik keretakan yang terjadi pada polimer
%etak permukaan yang terjadi pada polimer secara mikroskopis
-
8/18/2019 Mekanisme retakan pada beton
12/17
(oto mikroskopis patahan pada polimer
BETON
:eskipun beton sering dianggap rapuh. 7atahan yang terjadi pada beton didahului
dari retakan subkritis yang kemudian terjadi kegagalan dan menjadi hancur. %etakan subkritis
dalah hasil dari respon teganganregangan dan kurva yang terbentuk dari perilaku nonlinier.
Kekuatan bahan beton seringkali digunakan sebagai bahan struktural karena sudah terbukti
kuat dan retakan yang terjadi biasanya hanya tergantung ukuran dari dimensi beton itu
sendiri. Ketergantungan ukuran ini disebabkan oleh fakta bahwa deformasi nonlinier yang
terjadi dalam bahan tersebut disebabkan oleh retakan kritis daripada sifat plastisnya
dikarenakan bahan ini bersifat getas.
paya awal untuk menerapkan mekanika retakan pada beton tidak berhasil karena itu
dibutuhkan pendekatan awal yang didasarkan pada linear elastic fracture mechanics !"#$).
&agian ini memberikan gambaran singkat tentang mekanisme dan model retakan pada beton
dan batu. Sebagian besar penelitian secara eksperimental dan analitis telah dilakukan pada beton.
Skema ilustrasi dari pertumbuhan retak pada beton $
!a" pertumbuhan retak pada beton, !b" penggambaran Lona tegangan yang terjadi, dan !c" pendetailan tegangan
yang terjadi pada beton.
-
8/18/2019 Mekanisme retakan pada beton
13/17
#egangan tarik yang terjadi pada beton
7roses retakan yang terjadi pada beton ketika diberikan beban
)nergi %etakan
Dimana $ 9( 1 )nergi yang dibutuhkan untuk membuat retakan*celah
M( 1 &eban eksternal yang mengakibatkan retakan
Alig 1 8uas penampang
7ada tahun -EG3, %08): #eknis Komite 32(:' !(racture :echanism 'oncrete" yang
diusulkan metode pengujian untuk menentukan 9( mortar dan beton dengan cara stabil tiga
titik uji lengkung pada balok !%08):, -EG3".
-
8/18/2019 Mekanisme retakan pada beton
14/17
-
8/18/2019 Mekanisme retakan pada beton
15/17
7ola retak beton bertulang akibat gaya tarik
7ola retak beton bertulang akibat momen
7ola retak beton bertulang akibat geser
9ambar diatas adalah pola – pola retak yang seringkali ditemui pada beton bertulang.
7ada struktur bangunan, dewasa ini banyak digunakan bahanbahan kuat tinggi, termasuk
penggunaan bahan beton dan baja tulangan. &agian struktur beton pada daerah yang
mengalami tarik umumnya memperlihatkan suatu fenomena retak pada permukaanya. %etak
retak ini tidak merugikan kecuali bila lebar retaknya menjadi melebihi batas, dalam hal ini
keawetan beton terganggu karena kondisi tulanganya menjadi terbuka terhadap korosi.
%etak pada beton merupakan konstribusi dan awal dari kesan yang lebih parah lagi
yaitu berlangsungnya proses korosi tulangan baja, rusaknya permukaan beton dan dampak
kerusakan jangka panjang lainya. Bleh karena itu pengetahuan perilaku retak dan
pengendalian lebar retak merupakan hal penting dalam memperhitungkan kelayakan
komponen struktur pembebanan jangka panjang !4awy, ).9 -EEG".
%etak terjadi di sepanjang balok dimana momen aktualnya lebih besar daripada
momen retak. Karena beton pada daerah yang mengalami retak tersebut jelas tidak dapat
menahan tegangan tarik, maka bajalah yang harus melakukannya. #ahap ini akan terus
berlanjut selama tegangan tekan pada serat bagian atas lebih kecil daripada setengah dari kuattekan beton fCc dan selama tegangan baja lebih kecil daripada titik lelehnya. 8ebar retak
merupakan salah satu faktor yang menyebabkan peningkatan laju korosi. Semakin banyak
retak yang terjadi akibat pembebanan, semakin mudah air laut masuk ke dalam konstruksi
beton. Apabila intrusi yang terjadi telah sampai ke tulangan, akan terjadi reaksi kimia antara
air laut dengan baja tulangan yang menyebabkan korosi !4awy, ).9 -EEG".
7ada dasarnya keretakan semua balok dalam eksperimen ini diawali dengan terjadinya
retak vertikal di daerah tarik pada bagian bawah balok yang dikenal sebagai retak lentur.
Akan tetapi, perubahan pola retak terjadi setelah pembebanan meningkat. Salah satu
perubahan pola retak tersebut adalah dengan terjadinya retak geserlentur.
Selama ini anggapan umum yang dianut ialah bahwa sengkang akan mulai memikulgeser jika retak miring sudah mendekati setengah tinggi penampang beton yang ditandai
-
8/18/2019 Mekanisme retakan pada beton
16/17
dengan terjadinya retak diagonal. Akan tetapi, dari hasil penelitian ini tampak bahwa
sebenarnya sengkang sudah mulai bekerja, yang ditandai dengan adanya reaksi pada saat
dimulainya pembebanan/ atau dengan kata lain sengkang sudah mulai efektif bekerja
memikul geser, meskipun retak miring belum terjadi pada setengah tinggi penampang beton.
9ambar dibawah memperlihatkan mekanisme retakan akibat keruntuhan geser yangterjadi untuk semua balok uji. 7ola retak geser yang ditunjukkan pada gambar di atas, hanya
pada setengah bentang balok di bagian sisi kanan saja. +al ini dikarenakan bentang balok sisi
kirinya mempunyai mekanisme keruntuhan yang mirip dengan sisi kanan balok serta untuk
memudahkan pembacaan gambar.
:ekanisme retakan pada keruntuhan geser ketika beban mencapai ultimate
7erhitungan lebar retak maksimum pada suatu struktur beton bertulang menurut S40 2
5G
-
8/18/2019 Mekanisme retakan pada beton
17/17
Anderson, #8, 52--, Third "dition #racture $echanics #undamentals %nd %pplications.
SA
&adan Standar 4asional. S&I '(*+-*''* Tata Cara .erhitungan Struktur /eton 0ntuk
/angunan 1edung2
&adan Standar 4asional. 7?K&D tahun 5223. Tata Cara .erancangan dan .elaksanaan
/angunan 1edung $enggunakan .3K/(2:ac9regor ?ames, -EEH, 4einforced Concrete 5 $echanics and 6esign. #hird edition,
7rentice – +all 0nternational, SA
&roek, David, -EGG. The .ractical 0se of #racture $echanics2 Kluwer Academic
7ublishers, Dordrecht, &oston, 8ondon, )ngland.
4awy, )dward 9. -EE2. /eton /ertulang, Suatu .endekatan 6asar2 #erjemahan 0r.
&ambang Suryoatmono, :.Sc. &andung$ 7# %efika Aditama
7ark, % and 7aulay, #. -EH3. 4einforced Concrete Structures. 4ew Qork 'ity$ ?ohn Miley
R Sons, 0nc.
S+0, 60+A0, 522E, Crack %nalysis in Structural Concrete Theory and %pplications2
8inacre +ouse, BIford, )ngland