TUGAS UAS

STRUKTUR BETON LANJUT

Oleh

SHOBBAH SABILIL M, ST

126060100111005

PROGRAM STUDI S2 TEKNIK SIPIL

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS BRAWIJAYA

2012

1

PERILAKU DEFORMASI FIBER REINFORCED POLYMER

DENGAN PENGUAT ENGINEERED CEMENTITIOUS

COMPOSITE (ECC) PADA KONDISI LENTUR DENGAN

BEBAN SIKLIK

PENDAHULUAN

Selain struktur dengan perkuatan FRP, penelitian beton bertulang di

diperkuat serat polimer (FRP) telah dibuktikan oleh ketahanan korosi tulangan FRP

(ACI Komite 440 1996, Taerwe 1995). Studi-studi ini difokuskan pada sifat struktur

FRP pada beton bertulang, terutama kekuatan lentur, retakan dan momen. Perilaku

deformasi beban lentur pada beton dengan perkuatan FRP ditandai dengan

kekakuan lentur lebih rendah dari pada rasio tulangan. Perbedaan dari modulus

elastisitas pada perkuatan FRP secara signifikan lebih rendah dibandingkan dengan

bahan konvensional tulangan baja, terutama pada penggunaan serat kaca dan

aramid dengan masing-masing modulus elastisitas komposit sekitar 40 dan 60 GPa.

Untuk memenuhi persyaratan serviceability, lendutan dari beton bertulang dengan

perkuatan FRP dapat secara efektif dikurangi dengan meningkatkan rasio FRP.

Karakteristik tulangan sangat mempengaruhi perilaku defleksi beton

bertulang dengan perkuatan FRP, dan lebar retak. Pengukuran dapat terjadi

kegagalan karena kekuatan geser pada batang geser. Pada studi tentang beton

pratekan dengan perkuatan FRP menyarankan penggunaan penguatan FRP

sebagian untuk meningkatkan kapasitas defleksi dan memungkinkan penguatan

distribusi panjang regangan di sekitar lentur. Telah diakui bahwa beton bertulang

dengan perkuatan FRP memiliki daktilitas cukup pada tulangan longitudinal (ACI

Committee 440 1996). Konsep untuk mengatasi kekurangan ini meliputi kegagalan

beton dengan menyediakan penguatan atau menggunakan serat pada beton

bertulang serta penguatan FRP dengan daktilitas. Konsep-konsep ini dapat

memberikan kegagalan dalam kondisi beban monotonik dibandingkan dengan

kegagalan tarik pada penguatan FRP. Pada kondisi pembebanan siklikbeton tidak

2

mampu untuk mempertahankan kemampuan disipasi karena sifat mekanisme

deformasi inelastis, yaitu beton hancur, serat tertarik, atau tendon pecah parsial.

Model analitis berdasarkan konsep dasar kekuatan keseimbangan dan

kompatibilitas telah berhasil diterapkan untuk memprediksi kekuatan lentur beton

dengan perkuatan FRP. Kemampuan deformasi lentur dan kondisi akhir biasanya

dapat diprediksi oleh persamaan pada pedoman desain saat ini yang

awalnya dikembangkan untuk baja modulus elastisitas tulangan baja. Oleh karena

itu, modifikasi pada model ini telah menyarankan untuk menggunakan koefisien

korelasi berdasarkan data eksperimen yang diperoleh. Pada pendekatan lain,

distribusi kelengkungan sepanjang daerah lentur dipertimbangkan untuk model

momen lendutan.

Khususnya lentur dalam struktur tahan gempa seperti balok dan kolom

diperlukan untuk deformasi lentur yang relatif besar dengan tetap menjaga

kapasitas menahan beban. Pada beton bertulang, deformasi cenderung melebihi

batas elastis defleksi, namun deformasi relatif besar setelah tanpa beban. Tendon

baja biasanya memiliki regangan elastis yang lebih besar dibandingkan dengan

tulangan baja ringan. Sebuah penelitian dilakukan pada kinerja struktural beton

bertulang dengan perkuatan FRP pada momen tahanan. Menurut penelitian ini,

perilaku deformasi beban dari rangka menunjukkan defleksi yang kecil setelah

tanpa beban sebagaimana beton hancur sampai 2%. Kerusakan struktural seperti

retak lentur di dasar kolom dan balok, retak geser pada balok dan sendi, dan retak

pada balok utama. Pecahnya penguatan FRP terjadi pada penyimpangan 5% tanpa

perubahan reaksi struktur karena tingkat redundansi yang tinggi.

Hasil penelitian sebelumnya menunjukkan keuntungan dari struktural beton

bertulang dengan perkuatan FRP, seperti kekuatan lentur tinggi, perilaku elastis

beban deformasi, defleksi kecil, dan lebar retak kecil. Namun kekurangan yang

timbul dari penguatan kombinasi elastis dan rapuh beton FRP, sebagian besar

signifikan pada distribusi penguatan regangan pada sekitar retak.

3

Gambar. 1 Skema tegangan-regangan perilaku semen.

Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari perilaku elastis tegangan

regangan dengan perkuatan FRP pada perilaku lentur deformasi FRP diperkuat

engineered cementitious composite (ECC) pada kondisi beban siklik. Selain itu,

model analitis untuk beban deformasi berasal dari hubungan momen dan curvature

serta kekakuan batang lentur pada beban yang diterapkan.

PENELITIAN

Penelitian ini bertujuan untuk meneliti mekanisme deformasi komposit dan

pengaruh pada struktural. Perilaku beban deformasi dari beton bertulang secara

fundamental dipengaruhi oleh sifat material pengua. Semen yang digunakan dalam

penelitian ini, ECC dan beton, berbeda secara signifikan dalam perilaku tarik

tegangan-regangan. Kegagalan tegangan pada beton terjadi setelah mencapai

kekuatan retaknya. ECC dirancang untuk menjalani fase pengerasan regangan pada

logam (Gambar 1). Selain retak pertama, ECC meningkatkan tekan tarik komposit

hingga tingkat regangan pada beberapa persen (Gambar 2 (a)). Sementara beton

konvensional dengan serat beton bertulang (FRC) mengakomodasi tarik yang

menahan deformasi dengan retak, ECC menunjukkan beberapa perilaku retak

dengan jarak celah kecil (0,5 sampai 5 mm) dan lebar retak individu kecil (

4

mm). Kegagalan tarik di ECC terjadi ketika kekuatan pada serat tercapai, sehingga

deformasi lokal terjadi pada bagian ini. Dasar desain dan sifat mekanik ECC

dibahas secara rinci di tempat lain (Li 1998).

Gambar. 2 Tegangan regangan beton dan ECC dalam: (a) tegangan, dan (b)

tekanan.

Dalam tekanan, ECC memiliki modulus elastisitas yang lebih rendah

dibandingkan dengan kuat tekan beton karena kurangnya tegangan. Kuat tekan

ECC biasanya berkisar pada 30 sampai 80 MPa, tergantung pada komposisi

tertentu. Tegangan tekan akan turun menjadi sekitar 0.5 fc sehingga meningkatkan

deformasi (Gambar 2 (b)). Pada bagian tarik dari batang lentur diperkuat FRP,

sebelum terjadi retak lentur dengan kekuatan tarik secara proporsional. Pada

pembentukan retak lentur awal, tegangan tarik pada beton tidak bisa langsung

diteruskan dan dialihkan ke penguatan, mengakibatkan konsentrasi tegangan tarik

dan diskontinuitas regangan antara beton dan tulangan. Ketidaksesuaian deformasi

pada beton bertulang dengan perkuatan FRP mungkin disertai oleh kegagalan

ikatan tulangan, dan atau retak cenderung terbentuk karena daerah tegangan lokal

pada balok beton (Gambar 3 (a)). Sebaliknya, retak lentur pada FRP dengan

perkuatan ECC tidak menghasilkan retak tekan, tetapi tegangan tarik langsung

diteruskan pada bagian retak. Selanjutnya, ECC mengalami proses pengerasan

5

regangan dan tekanan yang didistribusikan sebanding dengan kekakuan penguatan

dan pada tahap deformasi. Meskipun kekakuan inelastis dari ECC secara signifikan

lebih rendah dibandingkan dengan daerah tak retak, beban tarik sebelum retak

diteruskan melalui serat dan tidak dialihkan ke penguatan FRP. Untuk

meningkatkan beban lentur, tegangan tarik diinduksi dalam penguatan dan

ditampung oleh deformasi elastis pada FRP (Gambar 3 (b)). Dengan demikian,

konsentrasi tegangan lokal pada penguatan FRP dicegah dengan transfer langsung

beban tarik dalam ECC serta deformasi.

Gambar. 3 Mekanisme deformasi komposit pada : (a) beton bertulang dengan

perkuatan FRP, dan (b) FRP diperkuat ECC.

6

Gambar. 4 Konfigurasi Spesimen.

Gambar. 5 Urutan Pembebanan.

7

Mekanisme deformasi komposit memiliki beberapa implikasi pada kinerja

struktural FRP diperkuat ECC. Kurangnya slip relatif antara penguatan dan ECC

pada tahap beberapa retak aktif mencegah ikatan tulangan. Selain itu, kapasitas

lendutan ditingkatkan dengan demikian mengurangi kekuatan. Kapasitas tegangan

inelastis ECC adalah transisi dari retak ganda untuk deformasi lokal (Gambar 1)

membatasi mekanisme deformasi kompatibel. Oleh karena itu, penguatan FRP

longitudinal terbatas dengan baik terhadap tekuk pada semua tahap lentur

deformasi, yang sangat penting dalam tegangan tarik dan tekan.

Komposisi bahan dan sifat

Tulangan longitudinal pada spesimen dalam penelitian ini adalah aramid

FRP tersedia secara komersial dengan nama Technora Rod (Teijin Ltd) dengan

permukaan berusuk mirip dengan tulangan baja konvensional geometri.

Sifat material sesuai dengan spesifikasi produsen adalah modulus elastisitas tarik

54 GPa, rata-rata kekuatan tarik 1800 MPa, dan kapasitas regangan tarik dari

3,8%. Dalam kompresi, data eksplisit untuk bahan ini tidak tersedia, namun

disarankan dalam pedoman desain sebagai kekuatan tekan sekitar 10% dari masing-

masing nilai tegangan, yaitu 200 MPa pada tegangan 0,2 hingga 0,3% (Sonobe,

Fukuyama, dan Okamoto 1997). ECC menggunakan serat Volume polietilen 1,5%,

semen, agregat halus (ukuran butir maksimum 0,25 mm), air, dan pencampuran

untuk meningkatkan sifat campuran. Sifat material tegangan uniaksial diperoleh

dari komposisi kekuatan retak 4,5 MPa pada regangan 0,01% dan kekuatan tarik

tertinggi 6,0 MPa pada sekitar 3,8% regangan (Gambar 2 (a)). Kekuatan tekan ECC

adalah 80 MPa pada regangan sebesar 0,5% (Gambar 2 (b)). Beton agregat kasar

yang digunakan (ukuran butir maksimum 10 mm), semen, air, dancampuran untuk

meningkatkan sifat campuran. Uji tarik pada beton tidak dilakukan tetapi

diasumsikan untuk memiliki kekuatan retak pertama mirip dengan ECC (4,5 MPa

pada kegagalan getas 0,01% tegangan) dan selanjutnya. Kekuatan tekan beton yang

digunakan dalam penelitian ini adalah 50 MPa pada 0,2% tegangan (Gambar 2 (b)).

8

Gambar. 6 Konfigurasi Pembebanan.

PENGAMATAN

Perilaku beban deformasi dari spesimen yang diuji dipantau secara terus

menerus menggunakan sistem akuisisi data. Spesimen yang diperiksa berturut-turut

secara visual pada setiap siklus beban dan lebar retak yang diukur pada tegangan

permukaan spesimen. Retak individu disebarkan dari tegangan di tengah spesimen

dan membentuk jalur retak yang terhubung pada siklus beban. Pada penyimpangan

2%, hanya diamati retak lentur pada perkiraan jarak 100 mm dan lebar retak

maksimum pada 1 mm tegangan permukaan dekat pangkal spesimen. Pada

peningkatan penyimpangan, jumlah retak lentur sedikit meningkat dengan 350 mm

dengan ketinggian retak spesimen maksimum dari 2 mm pada dasar kantilever.

Retak longitudinal dikembangkan lebih lanjut di bawah pengaruh dari tegangan

tekan pada setengah siklus terbalik dan menyebabkan luas tulangan di sepanjang

250 mm menjadi tinggi . Kerusakan bertepatan dengan meningkatnya reaksi yang

tidak teratur pada beban deformasi dan hilangnya kekakuan lentur pada

penyimpangan 7%. Karena beton hancur di awal setengah siklus pada

penyimpangan 7% (Gambar 7).

9

Tabel 1 Ringkasan Konfigurasi Spesimen

Gambar. 7 Bentuk defleksi dan pola kerusakan spesimen pada penyimpangan 7%.

Gambar. 8 Mekanisme rotasi geser dan kerusakan lokal pada penguatan FRP.

10

PEMBAHASAN

Reaksi beban deformasi dari spesimen yang diuji, beton bertulang dengan

perkuatan FRP serta diperkuat FRP ECC terutama adalah ditandai dengan perilaku

elastis nonlinier dengan defleksi relatif kecil. Sebagaimana dimaksud, kegagalan

disebabkan oleh deformasi inelastis pada beton dalam Spesimen S-1 dan ECC di

Spesimen S-2, S-3, dan S-4. Kegagalan ultimate terjadi pada semua kasus oleh

pecahnya penguatan karena untuk membalikkan kondisi beban siklik dan kerusakan

akibat tulangan longitudinal di bawah kompresi.

Respon Beban Deformasi

Retak lentur di Spesimen S-1 (RC dengan penguatan transversal) dan S-2

(R / ECC dengan tulangan transversal) terjadi seperti yang diperkirakan pada beban

lentur yang relatif kecil. Dalam Spesimen S-1 (Gbr. 9 (a)), retakan awal

menghasilkan penurunan beban dan defleksi meningkat karena transisi antara

tambahan beban uncracked dan momen inersia retak dan transfer beban dari beton

untuk penguatan FRP. Sebaliknya, pembentukan retak lentur dalam Spesimen S-2

(Gambar 9 (b)) menyebabkan perubahan kekakuan lentur, namun penurunan beban

yang signifikan dan peningkatan defleksi tidak jelas pada respon beban deformasi

yang disebabkan langsung oleh transfer beban pada retak ECC. Selain retak lentur

dan untuk meningkatkan tingkat penyimpangan, pembentukan retak lentur terbatas

pada Spesimen S-1 karena sifat tulangan dan panjang beban antara tulangan dan

beton FRP, sehingga jarak celah yang relatif besar sekitar 100 mm (Gbr. 7). Oleh

karena itu, defleksi spesimen ditampung oleh lebar retak yang relatif besar. Retak

pada Spesimen S-2 secara signifikan lebih kecil (Gbr. 7) terutama pada dasar

kantilever dengan jarak retak ECC dalam tegangan langsung (10 mm),

menunjukkan bahwa pembentukan retak lentur yang independen terhadap interaksi

dengan penguatan FRP.

Perilaku beban deformasi Spesimen S-1 dan S-2 ditandai dengan

pengurangan kekakuan lentur untuk meningkatkan beban. Sebagian respon linear

tidak bisa diidentifikasi secara jelas, yang disebabkan oleh deformasi inelastis.

11

Deformasi inelastis awalnya berturut-turut dari hasil pembentukan retak lentur,

namun di luar retak lentur didominasi oleh deformasi nonlinier dari tekanan semen.

12

Gambar. 9 Perilaku beban deformasi: (a) Spesimen S-1 (R / C dengan tulangan

transversal), (b) Spesimen S-2 (R / ECC dengan penguatan transversal), (c)

Spesimen S-3 (R / ECC tanpa tulangan transversal), dan (d) Spesimen S-4 (R /

ECC tanpa penguatan melintang).

Dalam Spesimen S-2, retak lentur sampai dengan defleksi relatif besar

(penyimpangan 7%), reduksi kekakuan lentur dipengaruhi oleh ECC yang hancur

13

dan rotasi geser di dasar kantilever (Gbr. 8). Transisi antara fase ditunjukkan pada

kurva beban deformasi luar penyimpangan 7% (Gbr. 9 (b)).

Distribusi Kelengkungan

Spesimen S-1 (Gambar 10 (a)) dan S-2 (Gambar 10 (b)) yang diplot pada

tingkat penyimpangan meningkat pada posisi antara daerah sendi dan tinggi

spesimen 250 mm. Data yang diperoleh pada posisi di atas 250 mm adalah sebagian

besar dipengaruhi oleh kesalahan karena kelengkungan terlalu kecil pada.

Distribusi kelengkungan di kedua spesimen menunjukkan perilaku elastis secara

bertahap sepanjang kelengkungan kantilever.

14

Gambar. 10 Distribusi Lengkung pada : (a) Spesimen S-1 (R / C, penguatan

transversal), dan (b) Spesimen S-2 (R / ECC, penguatan melintang).

Gambar. 11 Defleksi Spesimen S-1 dan S-2.

15

Gambar. 12 Spesimen S-1 dan S-2.

KESIMPULAN

Deformasi kompatibilitas antara penguatan FRP dan ECC secara efektif

menghilangkan tekanan pada tulangan dan deformasi retak, mencegah tulangan

terbelah dan penutup ECC pecah. Sebaliknya, deformasi tidak kompatibel antara

penguatan dan beton menyebabkan hilangnya tulangan yang mengakibatkan

kerusakan pada penguatan dan kapasitas defleksi beton bertulang dengan perkuatan

FRP terbatas. Sedangkan peningkatan kekuatan lentur FRP diperkuat

ECC dibandingkan dengan beton bertulang terutama disebabkan kekuatan tekan

ECC, kapasitas defleksi dipengaruhi oleh peningkatan interaksi komposit. Respon

beban deformasi pada FRP yang diperkuat ECC adalah didominasi oleh deformasi

lentur hingga tingkat penyimpangan relatif besar dan pembentukan retak efektif

pada tulangan bebas. Deformasi inelastis ECC dalam kompresi menyebabkan

penurunan kekakuan lentur namun menginduksi regangan tekan tarik dan

pengurangan kekuatan pada penguatan FRP.

Respon beban-deformasi dari spesimen yang diuji adalah berdasarkan pada

hubungan momen dan kelengkungan, dan mempertimbangkan deformasi inelastis

16

dari semen dan pengaruhnya terhadap kekakuan pada bagian retak. Namun tidak

dapat menggabungkan efek dari geser rotasi, yang dalam beberapa kasus memiliki

pengaruh yang signifikan terhadap kekakuan dan kekuatan lentur.