PERKUATAN LENTUR BALOK BETON BERTULANG DENGAN GLASS FIBER REINFORCED POLYMER (GFRP)

PERKUATAN LENTUR BALOK BETON BERTULANG

DENGAN GLASS FIBER REINFORCED POLYMER (GFRP)

Fikri Alami

1 PENDAHULUAN

Salah satu inovasi dari konstruksi beton adalah perkuatan pada elemen-elemen struktur beton bertulang. Perkuatan struktur diperlukan pada struktur-struktur yang telah mengalami penurunan kekuatan akibat umur, pengaruh lingkungan, perubahan fungsi struktur, desain awal yang kurang, kelemahan perawatan, ataupun kejadian-kejadian alam seperti gempa bumi.

Banyak bangunan-bangunan infrastruktur dibangun lebih dari 30 tahun yang lalu masih tetap berdiri, namun seiring bertambahnya usia dan perubahan pembebanan pada bangunan tersebut tingkat kelayakannya menjadi berkurang.

Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP) Composite merupakan salah satu solusi yang

banyak dipakai pada saat ini di dunia. Walaupun material ini cukup mahal namun banyak keuntungan yang dapat diberikan bila menggunakan GFRP yaitu merupakan material yang tahan korosi, mempunyai kuat tarik yang tinggi, superior dalam daktilitas, beratnya ringan sehingga tidak memerlukan perlatan yang berat untuk membawanya ke lokasi, selain itu dalam pelaksanaan tidak mengganggu aktifitas yang ada pada daerah perbaikan struktur tersebut.

Gambar 1 Perkuatan lentur balok beton bertulang dengan GFRP.

2 STUDI PUSTAKA

Pada penelitian ini dipergunakan 2 metode untuk menganalisis dan membandingkan hasil yang diperoleh secara eksperimental, yaitu metode ACI 440 2R-02 [7] dan metode P. Mukhopadhyaya dkk [2].

1.1 Analisis Perkuatan Lentur Balok dengan FRP berdasarkan ACI 440 2R-02 [7].

Gambar 2 Grafik Regangan untuk Perhitungan Metode ACI-440 2R-02

Untuk perkutan lentur dengan FRP, perhitungan desain mengacu pada ACI committee 440. Perhitungan tersebut disajikan dalam rumus-rumus berikut.

Dalam mendesain kekuatan lentur diperlukan faktor reduksi terhadap momen yang terjadi.

Mu

Mn _{... ……….. (1)}

Untuk melindungi kemampuan lekatan FRP diberikan persamaan untuk menghitung koefisien lekatan yaitu :

unt uk

90

.

0

000

.

360

1

60

1

f f fu m

t

nE

k

nE_ft_f 180.000 ………. (2)

Dengan memberikan asumsi bahwa nilai regangan maksimum pada beton sebesar 0,003, maka regangan yang terjadai pada FRP dapat dihitung dengan persamaan (3).

fu m bi cu fe k c c h . ... ………… (3) Setelah mendapatkan nilai regangan pada FRP, Nilai tegangan pada FRP dapat dihitung dangan persamaan (4)

fe f fe

E

f

.

_{... …….}

(4)

Dengan menggunakan persamaan (5) dan (6) nilai regangan dan nilai tegangan pada tulangan dapat dihitung. Setelah diketahui nilai regangan dan tegangan pada tulangan dan FRP, posisi garis netral dapat dicek berdasarkan gaya dalam yang terjadi dengan menggunakan persamaan (7). s fe bi d c h c ... …. (5) y s s s

E

f

f

.

... … (6) ' . 1. s s f fe A f A f c f c b ... … (7) Kapasitas momen nominal perkuatan lentur dengan menggunakan FRP dapat dihitung dengan persamaan (8). Untuk perkuatan lentur ACI committee 440 merekomendasikan nilai faktor reduksi untuk FRP ( _f) sebesar 0,85.

2 . 1 . . 2 . 1 .f d c A f h c A Mn _{s s f f fe} ... ………. (8)

2.2 Perhitungan gaya geser akibat perkuatan lentur menurut P. Mukhopadhyaya dkk [2].

a. Tinggi Garis Netral .

Dengan pertimbangan keseimbangan pada bagian X–X, seperti pada Gambar 3 sehingga didapat persamaan sebagai berikut :

f s sc c f s sc c

A

Ep

Es

A

Ep

Es

A

Ep

Ec

A

Y

A

Y

Ep

Es

A

Y

Ep

Es

A

Y

Ep

Ec

A

c

.

.

4

.

3

.

.

2

.

1

.

.

... (9)

Dari persamaan tersebut akan didapatkan nilai tinggi dari garis netral c . b. Panjang Lengan Pengungkit

Dengan diketahuinya tinggi garis netral, posisi dari resultan gaya tekan (C) dan regangan ( ) pada bagian X – X dapat ditentukan seperti pada gambar, dimana:

c d A E c b E c d d A E c b E p sc s c sc s c ' 1 . 5 , 0 ' ' . 6 1 2 2 ... (10)

Gambar 3 Diagram Regangan Penampang Balok.

dan untuk menghitung jarak resultante gaya tarik pada balok ke permukaan atas (t) digunakan Persamaan (11),

1

1

2 2

c

d

E

A

c

d

E

A

d

c

d

E

A

c

c

d

E

A

t

s s f p f s s f p f ... (11)

Sehingga, panjang lengan pengungkit adalah sebagai berikut:

d

X t p ... (12) c. Gaya Geser Akibat Perkuatan Lentur

Dua bagian pada jarak L₁ L₀ dan L₂ L₁ dari perkuatan dipertimbangkan berubaha-ubah saat terjadinya geser pada balok. Beberapa cara menentukan nilai

L

₁

dan

L

₂, dilokasi saat terjadinya geser pada balok, dibawah pusat beban, akan menghasilkan nilai gaya geser akibat perkuatan lentur yang konstan.

Gambar 4 Lokasi L1 dan L2 Momen dengan jarak

L

₁:

1

1

PL

M

X

Momen dengan jarak

L

₂:

2

2

PL

M

X

Dengan menggunakan kondisi keseimbangan, yaitu momen daya tahan pada suatu bagian sama dengan momen eksternal, maka gaya yang terjadi pada pelat

T

_f dan gaya internal

T

_s dapat dirumuskan seperti persamaan berikut:

' 0,5 . X c c d sc s d M c d E X b c A E X c ... (13) f f f p c d c T A E c ... (14) s s s c d c T A E c ... (15) Sehingga persamaan gaya geser akibat perkuatan lentur adalah sebagai berikut:

2 1 2 1 f f f T T L L b ... (16)

d. Momen Relative Akibat Daya Tahan Pelat 1 2 1 2 S S f f f f T d p T d p Ms Mp T d p T d p ... (17)

3 METODOLOGI

Benda uji balok ukuran 20 cm x 30 cm x 300 cm seperti pada Gambar 5, dibuat sebanyak 4 buah ( 1 buah tanpa perkuatan, dan 3 buah dengan perkuatan 1 lapis, 2 lapis, dan 3 lapis secara berurutan) dan dipasang electrical strain gauge pada baja beton dan GFRP. Mutu beton yang di dapat dari hasil pengujian silinder, f’c = 26,16 MPa dan mutu baja tulangan polos yang di gunakan adalah, fy = 240 MPa. Tulangan tarik dan tekan yang di pergunakan pada penelitian ini adalah 2Ø12 dengan tulangan sengkang yang dipasang dengan 2Ø12-225 dipasang pada 1/3 bentang kiri dan kanan balok.

Gambar 5 Benda Uji Balok

Bahan perekat yang digunakan dalam penelitian ini juga merupakan produk dari Fyfe Co dengan nama Tyfo S komponen A dan komponen B seperti terlihat dalam Gambar 6. Untuk proses pencampuran antara komponen A dan komponen B digunakan perbandingan 2: 1. Untuk GFRP yang dipergunakan adalah type SEH51 dengan Ultimate tensile strength dalam arah serat utama sebesar 575 MPa, dan tensile modulus sebesar 26,1 Gpa. Ketebalan 1 lapis komposit ini dalam aplikasi adalah 1,33 mm.

Untuk pemasangan GFRP digunakan metode Wet Lay-up seperti yang dapat dilihat pada Gambar 7 dibawah ini.

Gambar 7 Proses Pemasangan GFRP

Untuk mengetahui kuat lentur beton dapat dilakuka uji lentur berdasarkan ASTM C-78, seperti terlihat pada gambar di bawah ini

Gambar 8 Pemasangan pengujian lentur balok dengan third point load. A ½ P ½ P 90 cm 90 cm 90 cm C D B Beban (P) Strain Gauge Strain Gauge

4 HASIL DAN PEMBAHASAN

Berdasarkan hasil penelitian yang telah di rangkum pada Tabel 1, balok beton bertulang tanpa perkuatan lentur (BL) mampu menahan beban sebesar 4,198 ton. Sedangkan pada balok dengan perkuatan lentur 1 lapis (BL1), 2 lapis (BL2), dan 3 Lapis (BL3) mampu menahan beban masing-masing sebesar 6,804 ton, 7,078 ton dan 7,352 ton. Dengan hasil ini dapat dikatakan bahwa terjadi peningkatan beban ultimit sebesar 62,08 % untuk BL1, 68,60 % untuk BL2 dan 75,13 % Untuk BL3 terhadap balok tanpa perkuatan.

Tabel 1 Beban maksimum dan persentase perkuatan dari perkuatan lentur pada balok beton bertulang.

Balok Beton Bertulang Beban Maksimum Berdasarkan Penelitian (Ton) Besar Perkuatan Lentur Balok Terhadap BL Berdasarkan Penelitian (%)

BL 4,198 -

BL1 6,804 62,08

BL2 7,078 68,60

BL3 7,352 75,13

Dari hasil penelitian didapatkan bahwa lendutan maksimum balok BL sebesar 10,57 mm, BL1 sebesar 24,95 mm, BL2 sebesar 14,58 mm dan BL3 sebesar 14,90 mm. Grafik hubungan beban dan lendutan tengah bentang pada setiap balok dapat dilihat pada Gambar 2.

Dari grafik hubungan beban dan lendutan di atas, menunjukkan bahwa perkuatan lentur dengan GFRP mampu meningkatkan nilai lendutan dari balok. Pada balok dengan perkuatan lentur 1 lapis (BL1) nilai lendutan bertambah seiring bertambahnya beban hingga mencapai 24,95 mm. Hal ini menunjukan bahwa balok lebih bersifat elastis. Sedangkan pada balok dengan perkuatan lentur 2 lapis (BL2) dan 3 lapis (BL3) nilai

lendutan meningkat sedangkan sifat elastisitasnya menurun dibandingkan dengan BL1. Hal ini disebabkan adanya peningkatan ketebalan pada daerah perkuatan sehingga meningkatkan kekakuan balok.

Gambar 10 Grafik hubungan antara momen dan kurvatur.

Dari grafik hubungan antara momen dan kurvatur seperti terlihat pada Gambar 3 diatas, menunjukkan bahwa balok beton BL mencapai momen batas sebesar 1889,30 kg-m saat kurvatur maksimum sebesar 7,83x10-6 m-1, balok beton BL1 mencapai momen batas maksimum sebesar 3061,592 Kg-m pada saat kurvatur maksimum sebesar 1,95x10-5 m-1, balok beton BL2 mencapai momen batas sebesar 3185.009 kg-m pada saat kurvatur maksimum sebesar 1,496x10-5 m-1dan balok BL3 mencapai momen batas sebesar 3246,717 Kg-m pada saat kurvatur maksimum sebesar 1,41 x10-5 m-1. Balok BL-1 mempunyai daktilitas lebih besar dibandingkan ke-3 balok lainnya.

Dari Gambar pola retak (lampiran) dapat dilihat bahwa balok tanpa perkuatan (BL) mengalami retak yang pertama pada saat beban P sebesar 1455 Kg dengan lebar retak 3 divisi (0,06 mm) di tengah bentang. Kemudian balok tersbut hancur pada beban maximum P sebesar 4198 Kg dengan lebar retak 40 divisi (0,8 mm).

Pada balok dengan perkuatan FRP satu lapis (BL-1), balok mengalami retak pertama pada saat beban P sebesar 2004 Kg dengan lebar retak 3 divisi (0,06 mm). Kemudian balok hancur dengan ditandai lebar retak sebesar 125 divis (2.5 mm) pada beban maximum P sebesar 6804 Kg.

Untuk balok dengan perkuatan FRP 2 lapis (BL-2) retak pertama terjadi pada saat balok dibebani sebesar 2278 Kg dengan lebar retak 1 divisi (0,02 mm), dan balok mengalami retak sebesar 90 divisi (1,8 mm) pada beban maximum P sebesar 7078 Kg yang menyebabkan balok hancur.

Sedangkan untuk balok dengan perkuatan FRP 3 lapis lebar retak pertama yang terjadi sebesar 1 divis (0,02 mm) dengan beban P sebesar 1593 Kg. Dan berakhir pada saat beban P mencapai 7352 Kg dengan lebar retak sebesar 0,6 cm.

Secara umum pola retak yang terjadi diawali pada daerah tengah bentang dan disekitar bawah beban terpusat, kemudian retak menjalar kedaerah samping bentang mendekati tumpuan. Dari gambar pola retak (Lampiran ) diatas dapat dikatakan bahwa pola retak yang terjadi pada BL1, BL2, dan BL3 lebih menyebar , dibandingkan dengan balok tanpa perkuatan.

Hasil analisis dengan menggunakan metode ACI 440 2R-02 menghasilkan nilai seperti yang dapat dilihat pada tabel di bawah ini.

Tabel 2. Momen nominal dan beban maksimum yang diperoleh dengan

menggunakan metode ACI 440.

Balok Beton Bertulang

Momen Nominal, Mn

(ton-M) Beban Maksimum, Pu (ton)

BL 1,316 2,924

BL1 3,205 7,123

BL2 4,975 11,055

BL3 5,820 12,934

Dalam beberapa penelitian [2],[3],[4],[5],[6] kegagalan balok disebabkan karena kegagalan lekatan pada daerah ujung perkuatan FRP. Hal ini disebabkan karena konsentrasi tegangan yang terjadi pada daerah ujung FRP yang menyebabkan FRP mengalami delaminating. Tegangan geser pada daerah ujung lekatan FRP pada penelitian ini dihitung kembali dengan menggunakan persamaan yang diusulkan oleh Phalguni Mukhopadyaya dan Narayan Swamy [2] dan ditampilkan pada tabel di bawah ini.

Tabel 3. Nilai tegangan geser pada FRP berdasarkan hasil eksperimen.

Nama Benda Uji Fs1 (Newton) Fs2 (Newton) Fp1 (Newton) Fp2 (Newton) MPa _Mp Ms BL-1 243,52 405,87 391,28 652,13 0,01 0,48 BL-2 896,27 1493,79 1470,51 2450,84 0,05 0,47 BL-3 1835,96 3059,93 3121,93 5203,21 0,12 0,44

Dapat dilihat pada Tabel 3, bahwa tegangan geser di daerah tumpuan meningkat seiring meningkatnya tebal perkuatan yang diberikan pada balok-balok tersebut. Sementara itu perbandingan momen yang dipikul oleh tulangan terhadap FRP menurun.

5 KESIMPULAN.

Berdasarkan hasil penelitian pada benda uji balok beton bertulang dengan perkuatan lentur GFRP didapat beberapa kesimpulan sebagai berikut :

1.

Balok beton bertulang yang dipasang GFRP (BL-1, BL-2, dan BL-3) mengalami

peningkatan kapasitas beban bila dibandingkan dengan balok tanpa perkuatan (BL). Peningkatan tersebut sebesar 62,08 %, 68,60 %, dan 75,13 % pada benda uji secara berurut BL-1, BL-2 dan BL-3.

2.

Balok beton bertulang BL-1 memiliki sifat paling daktil karena mampu menahan deformasi yang cukup besar bila dibandingkan balok beton bertulang BL, BL-2 dan BL-3. Lendutan maksimum yang terjadi pada balok BL sebesar 10,57 mm, sedangkan pada balok BL-1, BL-2 dan BL-3 masing-masing sebesar 24,95 mm , 14,58 mm dan 14,90.

3.

Momen batas balok beton BL sebesar 1889,30 kg-m saat kurvatur maksimum

sebesar 7,183x10-6 per mm, momen batas balok beton BL1 mencapai momen

batas maksimum sebesar 3061,592 Kg-m pada saat kurvatur maksimum sebesar 1,95 x10-5, balok beton BL2 mencapai momen batas sebesar 3185,009 kg-m pada saat kurvatur maksimum sebesar 1,496 x10-5 dan balok BL3 mencapai momen batas sebesar 3246,717 Kg-m pada saat kurvatur maksimum sebesar 1,41x10-5.

4.

Beban maksimum balok BL berdasarkan hasil analitis metode ACI-440 yaitu sebesar 2,926 Ton, BL-1, BL-2 dan BL-3 masing-masing sebesar 7,123 T, 11,055 T dan 12,934 T. Metode ACI memberikan hasil yang lebih besar untuk balok yang diperkuat dengan GFRP dibandingkan hasil eksperimen hal ini dikarenakan metode ACI 440 mengasumsikan kegagalan terjadi pada tengah balok sementara pada eksperimen kegagalan terjadi pada ujung perkuatan GFRP.

5.

Besarnya tegangan geser horizontal pada ujung FRP untuk balok BL-1 sebesar 0,01 Mpa, balok BL-2 0,05 MPa dan balok BL-3 sebesar 0,12 MPa, sedangkan besarnya rasio Ms/Mp adalah balok beton BL-1 sebesar 0,48 balok beton BL-2 sebesar 0,47 dan balok beton BL-3 sebesar 0,44.

6.

Model kegagalan pada penelitian ini, untuk balok beton BL ialah keruntuhan lentur dan untuk balok beton BL-1, BL-2 dan BL-3 keruntuhan FRP yang terjadi ialah pilling-off atau pelat GFRP mengelupas.

6 PENGAKUAN

Penulis mengucapkan terima kasih kepada P.T. Graha Citra Anugerah Lestari atas bantuannya dan kerjasamanya dalam menyediakan material GFRP (Tyfo® Fibrwrap® Composite Systems)dan literature serta bantuan-bantuan lainnya.

DAFTAR PUSTAKA

Hamid Rahimi, Allan Hutchinson. Concrete Beams Strengthened with Externally bonded

FRP Plates. Journal of Composites for Construction. 2001.

Phalguni Mukhopadhyaya, and Narayan Swamy. Interface Shear Stress: A new Design

Nguyen Dai Minh, Chan Toong Khuan, Cheong Hee Kiat. Interaction Behaviour Between

Plate –Adhesive-Concrete and Premature Failures of FRP Strengthened Beams.

Amir M Malek, Hamid Saadatmanesh, Mohammad R Ehsani. Prediction of Failure Load

of R/C Beams Strenghened with FRP Plate Due to Stress Concentration at the

Plate End. ACI Structural Journal. 1998.

J. Yang, J.F.Chen, J.G. Teng. A new Approach for Interfacial Stress Analysis of Beams Bonded with a Thin Plate. Proceeding of International Symposium on Bond

Behaviour of FRP in Structures (BBFS-2005) 2005. International Institute for FRP

in Construction.

Alami, F. Perkuatan Lentur Balok Beton Bertulang dengan CFRP Strip, Prosiding HEDS

Seminar on Science and Technology 2007, ISBN 978-979-1441-05-6, Hal 37-47. ACI 440.2R-02, Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP

Systems for Strengthening Concrete Structures. Reported by ACI Committee 440

Makalah ini disampaikan dalam rangka diseminasi informasi melalui Seminar HAKI. Isi makalah sepenuhnya merupakan tanggung jawab penulis, dan tidak mewakili pendapat HAKI.