Abstrak— Korosi pada baja tulangan saat ini banyak ditemui pada struktur beton bertulang. Salah satu penyebab terjadinya korosi adalah pengaruh lingkungan. Tulangan baja pada beton bertulang yang mengalami korosi dapat menyebabkan pengurangan kekuatan dari struktur tersebut, sehingga bila kerusakan ini terus berlanjut akan mengakibatkan bangunan beton tersebut menjadi tidak layak untuk digunakan. Melihat kenyataan ini maka seorang insinyur diharapkan dapat melakukan evaluasi secara rutin pada struktur yang menunjukan kerusakan akibat korosi. Salah satu cara yang dapat digunakan adalah penerapan metode elemen hingga. Pada tugas akhir ini dilakukan pemodelan korosi tulangan baja pada balok beton bertulang terhadap kuat lentur dengan menggunakan software berbasis metode elemen hingga yaitu program bantu LUSAS. Pemodelan dilakukan dengan membuat model dari perilaku balok beton bertulang yang tulangannya mengalami korosi berbasis waktu. Faktor laju korosi sangat mempengaruhi perilaku dari balok beton bertulang dalam pemodelan proses ion Cl- dapat menembus pelindung pasif dan mengurangi luasan dari tulangan. Dengan adanya pemodelan ini diperoleh informasi yang memadai mengenai pengaruh korosi tulangan baja pada balok beton bertulang terhadap momen lenturnya.
Kata Kunci— korosi, metode elemen hingga, balok beton bertulang, momen lentur.
I. PENDAHULUAN
Beton bertulang telah digunakan sebagai struktur utama maupun struktur pelengkap hampir di setiap bangunan sipil di beberapa negara. Dewasa ini sering terlihat pada proyek bangunan sipil yang komponennya beton bertulang, baja tulangannya banyak mengalami korosi akibat pengaruh dari lingkungan. Tulangan baja pada beton bertulang yang terkorosi bisa mengurangi kekuatan dari struktur tersebut. Korosi pada tulangan baja balok beton bertulang mengakibatkan pengurangan luas permukaan baja tulangan dan menimbulkan diskontinuitas pada permukaan baja.
Korosi pada baja tulangan selain menyebabkan pengurangan luas permukaan juga menimbulkan volume senyawa hasil reaksi korosi yang lebih besar daripada volume baja yang bereaksi. Hal ini dapat mengakibatkan selimut beton mengalami keretakkan. Jika kerusakan ini terus berlanjut, maka bangunan beton tidak layak dipakai lagi.
Menurut Al-Sulaimani (1990) tingkat korosi sampai dengan 1,5% tidak mempengaruhi kapasitas maksimum beton memikul beban, saat 4,5% mengalami korosi dapat mengurangi kapasitas maksimum memikul beban sampai tersisa 12%. Secara umum, tingkat korosi dapat ditentukan
dari persentase berat yang hilang. Begitu pula kuat geser pada balok beton bertulang, akibat pengaruh dari korosi mengakibatkan penurunan kemampuan kuat geser dari balok tersebut yang berati juga menurunkan kemampuan balok dalam memikul momen lentur.
Melihat kenyataan bahwa korosi tulangan baja juga menjadi faktor kekuatan struktur, maka seorang insinyur harus sering mengevaluasi struktur yang ada yang menunjukan kerusakan akibat korosi. Salah satu cara yang banyak digunakanan untuk menganalis struktur adalah Metode Elemen Hingga, namun untuk kerusakan struktur akibat korosi membutuhkan asumsi yang tepat.
Dalam makalah ini nantinya dibahas mengenai hal-hal yang terkait langsung korosi tulangan baja pada balok beton bertulang, kapasitas maksimum beban yang mampu dipikul oleh balok beton bertulang yang tulangan bajanya mengalami korosi sampai batas lendutan ijin serta pengaruh momen lentur pada balok beton bertulang yang tulangan bajanya mengalami korosi.
II. URAIANPENELITIAN
Baja adalah bahan yang mempunyai kuat tarik yang tinggi dan koefisien pemuaian yang hampir sama dengan beton. Sedangkan beton mempunyai kelemahan utama yaitu kuat tariknya kecil. Karena hal ini aka baja dapat digunakan sebagai tulangan pada beton yang menerima gaya tarik.
Pada lapisan baja terdapat lapisan pasif baja yang tipis yang berfungsi untuk melindungi baja dari korosi. Lapisan pasif baja akan bereaksi dengan larutan asam atau akan larut dalam kondisi asam. Karena sifat beton alkali, yaitu basa dengan pH sekitar 12-13, baja tulangan didalam beton aman terhadap korosi. Jika dilihat secara makro, beton merupakan material yang kuat, tetapi jika dilihat secara mikro maka beton adalah material yang berpori dengan diameter kecil. Pori-pori di dalam beton pada umunya menerus yang berdiameter 3 nm – 2 μm. Ukuran tersebut masih memungkinkan senyawa-senyawa disekitar beton untuk berinfiltrasi kedalam beton dengan cara berdifusi. Proses ini dapat terjadi karena ada perbedaan konsesntrasi di dalam beton dan di luar beton.
Pada korosi baja tulangan, kerusakan terjadi pada tulangan didalam beton. Ini disebabkan karena tulangan di dalam beton bereaksi dengan air dan membentuk karat (Fe2O3.nH2O).
Karat yang terbentuk pada tulangan ini mengakibatkan penambahan volume besi tulangan tersebut. Penambahan volume ini tergantung pada kondisi oksidasinya. Penambahan volume kurang lebih 600%. Penambahan volume ini
Pengaruh Korosi Tulangan Balok Beton Bertulang
Terhadap Kuat Lentur Berbasis Waktu Dengan
Menggunakan Software LUSAS
Agus Apriyanto1, Mudji Irmawan, Ir, MS.2, dan Endah Wahyuni, ST, MSc, PhD.3
Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
kemudian mendesak beton sehingga beton tersebut terkelupas atau pecah. (Wibowo & Gunawan, 2007)[4]
Dengan menggunakan software LUSAS dicari lendutan, momen lentur dan kapasitas maksimum beban yang mampu dipikul balok beton bertulang disetiap tingkat korosinya berbasis waktu.
Disini dibuat model dari perilaku balok beton bertulang yang tulangannya mengalami korosi berbasis waktu. Faktor laju korosi sangat mempengaruhi perilaku dari balok beton bertulang disini dalam pemodelan. Bagaimana ion Cl- dapat menembus pelindung pasif dan mengurangi luasan dari tulangan ini.
Untuk mencari nilai momen lentur balok beton bertulang digunakan rumus sebagai berikut
2 . .fy d a As Mn (1)
b c f fy As As a . ' . 85 , 0 . ' (2) Untuk laju propagasi korosi yang mengurangi luasan tulangan sangat dipengaruhi oleh rasio air semen dan tebal selimut betonUntuk pemodelan korosi tulangan, dilakukan running setiap 5 tahun dengan mengurangi luasan tulangan baja.Hasil kapasistas maksimum dan momen lentur beton bertulang dari software LUSAS nantinya dibuat grafik untuk mengetahui seberapa besar pengaruh korosi pada balok beton bertulang terhadap momen lentur.
III. PEMODELAN A. Data Material dan Konfigurasi Balok
Berikut adalah data material dan konfigurasi balok yang digunakan dalam pemodelan :
Mutu beton (f’c) : 35 MPa
c
w
: 0,5Poisson’s Ratio Beton : 0,2 Mutu baja (fy) : 400 MPa
Poisson’s Ratio Baja : 0,3 Diameter Tulangan : 2#22 Selimut Beton : 25 mm
Dimensi Balok : 3300 mm x 150 mm x 300 mm
Gambar 1 Konfigurasi Balok
Gambar 2 Detail Penampang Balok
Dari data balok diatas, didapat lendutan ijin balok sebesar:
mm L ijin 9,167 360 3300 360
B. Analisa Tingkat Korosi
Perhitungan tingkat korosi ini menggunakan rumus dari Stewart & Mullard (2006)[2] adalah sebagai berikut :
2
64 , 1 / cov 1 27 1 A cm er c w icorr (3)
2
2 64 , 1 / 366 , 3 / 25 5 , 0 1 27 1 A cm A cm icorr Pada kasus ini diasumsikan bahwa tingkat korosi menurun terhadap waktu yang dimodelkan melalui rumus dari Stewart & Mullard (2006)[2] adalah sebagai berikut:
0,29 1 85 , 0 1 i T T T icorr corr (4) 1T
= 3 tahun
0,29 3 85 , 0 366 , 3 T T icorr
0,29 3 861 , 2 T T icorr (5)Waktu inisiasi ini diambil berdasarkan asumsi bahwa kualitas hamya mampu menahan hingga waktu 3 tahun ion Cl -menembus selimut beton.
Berikut grafik dari penurunan tingkat korosi terhadap waktu.
Gambar 3 Grafik Tingkat Korosi Berbanding Waktu
Dari tingkat korosi tersebut, dapat dicari pengurangan luasan dari tulangan baja pada balok seperti yang dirumuskan oleh Val D. V. & Melchers R.E., (1997)[3] adalah sebagai berikut:
t icorr t D /2 0,0232 (6)
2 0 0,0464 4 1 t i D t Ast corr (7) Dengant
adalah waktu propagasi yang pada kasus ini ekuivalen dengan
T
3
.Dari persamaan 4.1 dan 4.3 diperoleh:
0,29
2 0 0,0464 2,861 4 1 t t D t Ast (8)
0,71
2 0 0,1328 4 1 t D t Ast (9)
0,71
2 0 0,1328 3 4 1 D T T Ast (10) Persamaan 4.4 ini digunakan untuk mencari pengurangan luasan tulangan baja terhadap waktu.Gambar 5 Grafik Presentase Pengurangan Luasan Tulangan
C. Analisa dan Hasil LUSAS 1. Load Capacity
Untuk menemukan kapasitas beban maksimum yang dapat dipikul oleh balok sampai batas lendutan ijin, maka dilakukan analisa balok 2 D pada LUSAS dengan cara mengurangi luasan tulangan setiap 5 tahun sesuai dengan laju korosi, sehingga didapatkan nilai-nilai dari beban yang mampu dipikul oleh balok tersebut, hingga mencapai batas lendutan ijin.
Dibawah ini adalah tabel dari nilai-nilai beban yang mampu dipikul oleh balok sampai batas lendutan ijin, beserta grafiknya.
Gambar 6 Grafik Load Capaciy Balok
Tabel 1 Load Capacity
Year % Steel Area Load (N) % Load
0 100 44289 100 3 100 44289 100 5 96.246 43619 98.487 10 93.514 43564 98.363 15 91.379 43524 98.273 20 89.516 42310 95.531 25 89.516 41497 93.697 30 86.256 40831 92.193 35 84.784 40196 90.759 40 83.389 40098 90.537 45 82.059 40006 90.329 50 80.784 39453 89.081 55 79.557 39241 88.602 60 78.374 38769 87.537 65 77.228 38702 87.385 70 76.117 38469 86.859 75 75.038 37959 85.709 80 73.988 37799 85.346 85 72.965 37355 84.343 90 71.966 37170 83.926 95 70.991 36617 82.678 100 70.038 36120 81.555
Dari gambar 6 dan tabel 1 dapat dilihat sampai tahun ke 100, balok tersebut mengalami penurunan dalam memikul beban sampai batas lendutan ijin -9,167 mm sampai tersisa 82,441% dari kapasitas beban awal ketika belum terjadi korosi.
Berikut adalah gambar pola retak dari balok akibat korosi tulangan pada batas lendutan ijin dari balok tersebut.
Gambar 7 Pola retak balok tahun ke 0
Gambar 8 Pola retak balok tahun ke 25
Gambar 10 Pola retk balok tahun ke 75
Gambar 11 Pola retak balok tahun ke 100
Dan dibawah ini merupakan pola retak balok pada saat lendutan 1,5 kali lendutan ijin (13,7505 mm).
Gambar 12 Pola retak tahun ke 0
Gambar 13 Pola retak tahun ke 25
Gambar 14 Pola retak tahun ke 50
Gambar 15 Pola retak tahun ke 75
Gambar 16 Pola retak tahun ke 100
Tabel 2 Jumlah retak balok
Year Lendutan -9.167 mm Lendutan -13.7505 mm P Load (N) Jumlah Retak P Load (N) Jumlah Retak 0 44289 74 59647 116 5 43619 76 57696 118 10 43564 87 57442 122 15 43524 86 56417 124 20 42310 88 55149 128 25 41497 80 55057 124 30 40831 90 54178 123 35 40196 90 54104 138 40 40098 92 53047 140 45 40006 87 52966 144 50 39453 82 52283 138 55 39241 92 51573 139 60 38769 90 50942 136 65 38702 94 50162 144 70 38469 92 49994 142 75 37959 88 49458 136 80 37799 84 48781 136 85 37355 82 47733 142 90 37170 84 47990 140 95 36617 80 47471 142 100 36120 82 46829 136
Dari gambar 7 – 16 dan tabel 2 dapat dilihat pada saat balok melendut sampai batas lendutan ijin -9,167 mm jumlah retak pada balok pada tahun ke 0 sebanyak 76 dengan beban 42.998 N dan pada tahun berikutnya jumlah retak pada balok lebih banyak dengan beban yang lebih kecil. Begitu juga pada saat balok melendut 1,5 kali lendutan ijin -13,7505 mm, jumlah retak pada balok sebanyak 116 dengan beban 59.647 N dan pada tahun berikutnya jumalh retak pada balok bertambah dengan beban menurun.
2. Analisa Tegangan Material Balok Beton Bertulang Tegangan material pada balok beton bertulang perlu dianalisa untuk mengetahui apakah pada saat lendutan ijin maksimum material beton ataupun baja sudah leleh atau belum.
Berikut adalah tabel dan grafik dari tegangan pada beton dan baja dari balok beton bertulang.
Tabel 3 Tegangan Pada Beton dan Baja Tahun P Load Capacity (N) Stress Concrete (MPa) Stress Bar (MPa) 0 44289 13.279 273.660 5 43619 13.080 280.652 10 43564 13.066 289.074 15 43524 13.052 297.274 20 42310 12.691 291.345 25 41497 12.444 289.997 30 40831 12.246 296.354 35 40196 12.051 297.472 40 40098 12.025 297.138 45 40006 12.000 302.217 50 39453 11.828 302.765 55 39241 11.771 305.197 60 38769 11.628 303.977 65 38702 11.612 309.347 70 38469 11.538 311.834 75 37959 11.389 309.657 80 37799 11.339 310.731 85 37355 11.198 312.330 90 37170 11.148 316.356 95 36617 10.985 316.694 100 36120 10.834 319.934
Gambar 17 Grafik Stress Concrete
Gambar 18 Grafik Stress Bar
Dari gambar 17 dan 18 dan tabel 3 dapat dilihat pengaruh yang signifikan akibat korosi terjadi pada tulangan baja karena tengan baja pada tahun ke 100 mengalami kenaikan menjadi 319,934 MPa dengan beban 36.120 N yang awalnya 273,66 MPa dengan beban 44.289 N.
3. Momen Nominal
Selain mencari kapasitas beban maksimum sampai lendutan ijin, perlu juga dicari momen nominal dari balok tersebut dengan tujuan untuk mengetahui nilai momen yang mampu dipikul oleh balok akibat pengaruh korosi.
Perhitungan momen nominal ini didapat dengan menghitung manual mengunakan rumus sesuai dengan persamaan 1 dan 2.
Berikut merupakan tabel dan grafik hubungan pengaruh korosi tulangan baja terhadap momen nominal balok.
Tabel 3 Momen Nominal Balok
Year Steel Area (mm2) d (mm) a (mm) Mn (N.mm) Persentas e (%) 0 774.000 275 69.378 74400262 100 3 774.000 275 69.378 74400262 100 5 744.948 275 66.774 71995600 96.768 10 723.796 275 64.878 70225826 94.389 15 707.272 275 63.397 68832170 92.516 20 692.852 275 62.104 67607859 90.870 25 679.760 275 60.931 66489916 89.368 30 667.624 275 59.843 65448142 87.968 35 656.228 275 58.822 64465040 86.646 40 645.431 275 57.854 63529302 85.389 45 635.135 275 56.931 62633074 84.184 50 625.267 275 56.046 61770616 83.025 55 615.774 275 55.195 60937568 81.905 60 606.612 275 54.374 60130516 80.820 65 597.747 275 53.580 59346722 79.767 70 589.149 275 52.809 58583948 78.742 75 580.796 275 52.060 57840332 77.742 80 572.668 275 51.332 57114305 76.766 85 564.747 275 50.622 56404529 75.812 90 557.019 275 49.929 55709846 74.879 95 549.471 275 49.252 55029254 73.964 100 542.091 275 48.591 54361870 73.067
Gambar 19 Grafik Perbandingan Momen Nominal Balok, Pengurangan Luasan Tulangan dan Laju Korosi (150 mm x
300 mm, 2#22)
Dari tabel dan grafik diatas dapat dilihat momen nominal pada balok mengalami penurunan 73,067% pada tahun ke 100 akibat korosi pda tulangan baja.
IV. KESIMPULANDANSARAN A. Kesimpulan
Dari pembahasan yang sudah dilakukan, dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:
1. Pengurangan luasan tulangan akibat korosi sampai seratus tahun hanya menyisakan tulangan sebesar 70,038% untuk tulangan #22.
2. Kapasitas balok dalam memikul beban sampai batas lendutan ijin yang awalnya 44.289 N menurun sebesar 36.120 N (81,555%) pada tahun ke 100.
3. Pada saat balok melendut sampai batas lendutan ijin -9,167 mm jumlah retak pada balok pada tahun ke 0 sebanyak 76 dengan beban 44.289 N dan pada tahun berikutnya jumlah retak pada balok lebih banyak dengan beban yang lebih kecil. Begitu juga pada saat balok melendut 1,5 kali lendutan ijin -13,7505 mm, jumlah retak pada balok sebanyak 116 dengan beban 59.647 N dan pada tahun berikutnya jumlah retak pada balok bertambah dengan beban menurun.
4. Pada analisa tegangan material balok beton bertulang, pengaruh yang signifikan akibat korosi terjadi pada tulangan baja karena tengan baja pada tahun ke 100 mengalami kenaikan menjadi 319,934 MPa dengan beban 36.120 N yang awalnya 273,66 MPa dengan beban 44.289 N.
5. Momen nominal balok mengalami penurunan akibat korosi tulangan baja yang awalnya 74.400.262 N.mm menjadi 54.361.870 N.mm (73,067%) pada tahun ke 100.
B. Saran
Adapun saran yang dapat diberikan penulis adalah sebagai berikut:
1. Agar dilakukan penelitian mengenai hubungan kualitas tulangan dengan pengaruh korosi pada berbagai kondisi lingkungan agar memperkecil pengurangan luasan tulangan sehingga dicapai
pengurangan luasan tulangan tidak lebih dari 25% selama 100 tahun.
2. Diharapkan pada saat merancang elemen struktur beton bertulang agar memperhatikan mutu (f’cmin = 35 MPa) dan selimut beton (covermin = 75 mm) sehingga tingkat korosi dapat diminimalisir.
DAFTARPUSTAKA
[1] Al-Sulaimani, G.J., M. Kaleemullah, I.A. Basunbul and A. Razeeduzzafar, 1990. Influence of Corrosion and Cracking on Bond Behavior and Strength of Reinforced Concrete Members. ACI Struct. J., 87 , 630-638.
[2] Bambang, A., Darmawan, S., & Irmawan, M. (2011). Studi Probabilitas Pengaruh Korosi Seragam Berbasis Waktu Terhadap Kehandalan Lentur Balok Beton Pratekan Parsial. Seminar Nasional VII 2011 Teknik Sipil ITS Surabaya, Penanganan Kegagalan Pembangunan dan Pemeliharaan Infrastruktur .
[3] Stewart, M. G., & Mullard, J. A. (2006). Spatial Time-Dependent Reliability Analysis Of Corrosion Damage and The Timing Of First Repair For RC Structures. Engineering Structures .
[4] V. Val, D., & E. Melchers, R. (1997). Reliability of Deteriorating RC Slab Bridges. Journal of Structural Engineering , 1638-1644.
[5] Wibowo, & Gunawan, P. (2007). Pengaruh Korosi Baja Tulangan Terhadap Kuat Geser Balok Beton Bertulang. Media Teknik Sipil .
