KAJIAN EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK PERKUATAN BALOK DENGAN MENGGUNAKAN CARBON FIBER REINFORCED POLYMER DENGAN BEBAN LENTUR MURNI TESIS.

KAJIAN EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK PERKUATAN

BALOK DENGAN MENGGUNAKAN CARBON FIBER REINFORCED

POLYMER DENGAN BEBAN LENTUR MURNI

TESIS

Oleh

IMMANUEL PANUSUNAN TUA PANGGABEAN

107016009/TS

FAKULTAS TEKNIK

KAJIAN EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK PERKUATAN

BALOK DENGAN MENGGUNAKAN CARBON FIBER REINFORCED

POLYMER DENGAN BEBAN LENTUR MURNI

TESIS

Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik

dalam Program Studi Teknik Sipil

pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

Oleh

IMMANUEL PANUSUNAN TUA PANGGABEAN

107016009/TS

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

Judul Tesis : KAJIAN EKSPERIMENTAL DAN NUMERIK PERKUATAN BALOK DENGAN MENGGUNAKAN CARBON FIBER REINFORCED POLYMER DENGAN BEBAN LENTUR MURNI

Nama Mahasiswa : Immanuel Panusunan Tua Panggabean Nomor Pokok : 107016009

Program Studi : Teknik Sipil

Menyetujui Komisi Pembimbing

(Dr. Ing. Hotma Panggabean) (Ir. Daniel Rumbi Teruna, M.T.)

Ketua Anggota

Ketua Program Studi Dekan

Telah diuji pada

Tanggal : 30 Januari 2014

PANITIA PENGUJI TESIS

KETUA : Dr. Ing. Hotma Panggabean. Anggota : Ir. Daniel Rumbi Teruna, M.T.

Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan. Ir. Sanci Barus, M.T.

ABSTRAK

Balok merupakan elemen struktur yang digunakan untuk menerima beban. Beban yang bertambah sebagai akibat dari perubahan fungsi struktur, penambahan beban pada bangunan, atau menurunnya kekuatan dari struktur bangunan. Ada beberapa cara untuk mengembalikan kemampuan struktur memikul beban dan salah satunya adalah menambah pelat CFRP di bawah balok sebagai bahan perkuatan.

Tesis ini menyajikan hasil penelitian terhadap 3 (tiga) buah balok beton bertulang yang berdimensi penampang 150 mm x 300 mm x 2400 mm dalam memikul beban yang menghasilkan lentur murni dan ketiga benda uji tersebut dibedakan atas besar diameter pada tulangan tarik yang diperkuat dengan 3 (tiga) variasi jumlah dan panjang CFRP, setelah dibebani sampai 80% dari beban ultimit rencana.

Perhitungan pendahuluan untuk langkah pembebanan yang lebih akurat dilakukan sebelum pelaksanaan pembuatan benda uji. Dan dari perhitungan awal ditetapkan

bahwa diameter tulangan yang dipakai mulai dari 8mm sebagai tulangan sengkang,

tulangan utama dari mulai10, 12 dan 14 mm).

Pengamatan dilakukan dengan 2 (dua) metode yaitu secara eksperimen, dan numerik menggunakan perangkat lunak program metode numerik. Pada prinsipnya analisis yang dilakukan terhadap pengamatan model benda uji dengan metode di atas adalah naiknya kapasitas kekuatan balok setelah dipasang CFRP, dan mengamati pola keruntuhan akibat pembebanan yang diberikan, baik sebelum dan sesudah siperkuat. Hasil yang diperoleh, bahwa terjadi kenaikan kemampuan yang signifikan terhadap perilaku balok dalam menahan beban dilihat dari kenaikan kemampuan balok terhadap pertambahan beban sampai balok runtuh.

Hal lain yang menarik yaitu berpindahnya tempat keruntuhan balok dari pola pembebanan sebelum dan sesudah diperkuat dengan CFRP. Balok sebelum diperkuat cenderung berada pada tempat momen maksimum sementara setelah balok dipasang perkuatan dengan CFRP, maka keruntuhan terjadi pada ujung-ujung CFRP.

ii

ABSTRACT

Beam is an element of structure which is used to receive load. The load increasing because of the change in the function of structure, the addition of load on to the building, or the declining strength of the structure building. There are several ways to restore the capability of the structure to carry the load and one of them is toad CFRP plate under the beam as the reinforcing material.

This thesis presents the result of study on 3 (three) reinforced concrete beams with the dimensions of its longitudinal section of 150 mm x 300 mm x 2400 mm in carrying the load that produces natural curve and the three test materials was differenciated based on the diameter of stretching frame reinforced with 3 (three) variations of the number and length of CFRP plate after being loaded up to 80% of planned ultimate load.

Preliminary calculation for the more accurate step of loading was done before the making of test materials was implemented. Based on this preliminary calculation, it was determined that the diameter of frames used commenced from  8 mm for the crossbar frame and commences from10, 12 and 14 mm for the main frames.

Observation was done by using 2 (two) methods such as experimental and numerical methods through software program of numerical method. Principally, the analysis used to observe the model of test material with the method mentioned above was that the carrying capacity of the beam increased after the CFRP plate was affixed, and the pattern of collapse due to the load given either before or after being reinforced was observed.

The result of this study showed that the carrying capacity of the beam in holding back the load significantly increased seen from the increasing ability of the beam to carry the added load until the beam collapsed.

The other interesting thing is that the place where the beam collapse moved from the pattern of loading before and after being reinforced with CFRP plate. Before being reinforced, the beam collapsed in the place where the maximum moment occurred while after being reinforced with CFRP plate, the collapse occur in the edges of CFRP plate.

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis “Kajian Eksperimental Dan

Numerik Perkuatan Balok Dengan Menggunakan Carbon Fiber Reinforced Polymer Dengan Beban Lentur Murni” adalah karya saya dan belum pernah diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam tesis ini dan dicantumkan dalam daftar pustaka.

Medan, 30 Januari 2014

Immanuel Panusunan Tua Panggabean 107016009

iv

KATA PENGANTAR

Segala hormat, pujian dan syukur hanya bagi Tuhan, sebab hanya Dialah yang layak untuk disembah.

Dengan segala kerendahan hati, Penulis menyatakan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Bapak Dr. Ing. Hotma Panggabean selaku pembimbing dalam Tesis

yang berjudul “Kajian Eksperimental dan Numerik Perkuatan Balok dengan

Menggunakan Carbon Fiber Reinforced Polymer dengan Beban Lentur Murni”, sebagai salah satu syarat dalam menyelesaikan Program Magister Teknik Sipil untuk memperoleh gelar Magister Teknik (MT).

Ucapan terima kasih juga kepada seluruh dosen dan staf pada Program Magister Teknik Sipil, kepada bapak saya Ir. Ardin Panggabean, ibu pengganti Diak. Tiramayana Sitinjak, isteri Klarensya Pakpahan, S.Pd dan anak-anakku Ester Panggabean dan Raphael Panggabean, serta khusus kepada Valentana Tarigan dan Irwansyah serta rekan mahasiswa Angkatan 2010 Program Magister Teknik Sipil USU dan semua pihak yang telah membantu penyelesaian tesis ini.

Perubahan fungsi bangunan, penambahan beban pada bangunan, atau menurunnya kekuatan dari struktur bangunan adalah hal yang biasa terjadi pada suatu sistem struktur bangunan.

Perubahan tersebut memerlukan peningkatan Faktor Keamanan dari struktur bangunan tersebut dengan memberi kekuatan yang baru pada sistem bangunan tersebut.

Salah satu cara perkuatan bangunan yang dibahas pada Tesis ini adalah dengan

menambah pelat FRP (Fiber Reinforced Polymer), dan jenis FRP yang akan

ditambahkan berbahan dasar carbon, atau disebut juga CFRP (Carbon Fiber

Reinforced Polymer).

Penulis menyadari banyak kekurangan yang ada dalam penyajian bahan Tesis ini. Harapan penulis, semoga tulisan ini dapat bermanfaat bagi kita semua.

Medan, 30 Januari 2014 Penulis

vi

DAFTAR RIWAYAT HIDUP

A. DATA PRIBADI

Nama : Immanuel Panusunan Tua Panggabean

Tempat/ Tanggal lahir : Medan, 30 November 1974

Alamat : Jl. Pasar II Gg. Rapi no. 3 Tanjung Sari Medan

Email :nuelgabe@yahoo.com

Jenis Kelamin : Laki-laki

Agama : Protestan

B. RIWAYAT PENDIDIKAN

1981-1987 : SD Negeri Jl Sei Petani

1987-1990 : SMP Negeri I Medan

1990-1993 : SMA Negeri I Medan

1993-2000 : Universitas Sumatera Utara, Fakultas Teknik Jurusan

Teknik Sipil

2010-2014 : Universitas Sumatera Utara, Fakultas Teknik, Program

Studi Magister Teknik Sipil, Konsentrasi Struktur. C. RIWAYAT PEKERJAAN

2001-2006 : GKW-Consult, MMUDP ADB Loan 1587 INO.

2007-2010 : SMEC Int. Pty.Ltd, pada BRR NAD-NIAS MDF

Grant Project

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i ABSTRACT ... ii PERNYATAAN ... iii KATA PENGANTAR ... iv RIWAYAT HIDUP ... vi

DAFTAR ISI ... vii

DAFTAR GAMBAR ... x

DAFTAR TABEL ... xiii

DAFTAR NOTASI ... xv BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1. Latar Belakang ... 1 1.2. Pembatasan Masalah ... 2 1.3. Tujuan Penulisan ... 3 1.4. Sistematika Penulisan ... 3

BAB II STUDI PUSTAKA ... 5

2.1. Beton Bertulang ... 5

2.2. Kelebihan Beton Bertulang dalam Struktur ... 5

2.3. Kelemahan Beton Bertulang dalam Struktur ... 6

2.4. Sejarah FRP ... 7

2.5. Penggunaan FRP pada Struktur Bangunan ... 8

2.6. MaterialFRP (Fiber Reinforced Polymers) ... 8

2.7. Sika Carbodur sebagai Bahan Pelat FRP ... 9

viii

2.12. Teori Numerik pada Program Numerik ... 17

2.12.1 Parameter KekuatanConcrete Damage Plasticity ... 17

2.12.2 Kurva Tegangan Regangan pada Pembebanan Uniaxial 19 2.12.3 Matriks ElemenTrussT3D2 ... 20

2.12.4 Matriks ElemenSolidC3D8 ... 21

BAB III PENGUJIAN LABORATORIUM DAN SIMULASI... 23

3.1. Pengantar Pengujian Laboratorium ... 23

3.2. Pembuatan Benda Uji ... 24

3.3. Pemodelan Pengujian Laboratorium ... 24

3.4. Pengamatan Lendutan pada Beban 80% dari Beban Ultimit ... 26

3.5. Pengamatan Regangan pada Beban 80% dari Beban Ultimit... 27

3.6. Pemodelan Pemasangan Pelat CFRP ... 29

3.7. Pengamatan Lendutan Balok dengan Perkuatan Pelat CFRP dengan pembebanan sampai Runtuh ... 30

3.8. Pengamatan Regangan Balok dengan Perkuatan Pelat CFRP dengan pembebanan sampai Runtuh ... 31

3.9. Pengantar Pemodelan Balok dan Beban Balok pada Program Metode Numerik ... 32

3.10 Pemodelan Balok dan Beban Balok pada Program Numerik .... 36

3.10.1 Model Elemen ... 36

3.10.2 Perilaku Material ... 37

3.10.3 Hubungan antar Elemen ... 38

3.10.4 Pembebanan dan Boundary Condition ... 38

3.10.5 Model Balok sebelum diperkuat dengan CFRP pada Program Numerik ... 38

3.10.6 Model Balok diperkuat dengan CFRP pada Program Numerik ... 39

BAB IV ANALISIS HASIL PENGUJIAN DAN SIMULASI NUMERIK 40

4.1. Hasil Pengujian ... 40

4.1.1 Pengujian Kuat Tekan Beton dengan Alat Hammer Test 40 4.1.2 Pengujian Kuat Tarik Tulangan Baja... 41

4.1.3 Pengujian Lendutan Balok ... 41

4.1.4 Hasil Pengujian Regangan Balok ... 45

4.1.5 Pengujian Lendutan Balok diperkuat dengan CFRP... 48

4.1.6 Hasil Pengukuran Regangan Balok diperkuat dengan CFRP... 51

4.2. Analisis Hasil Pengujian ... 52

4.2.1 Analisis Hasil Pengujian Lendutan pada Balok... 52

4.2.2 Analisis Pola Keruntuhan Balok sebelum dan sesudah diperkuat dengan CFRP ... 56

4.3. Analisis Simulasi Numerik ... 57

4.3.1 Analisis Lendutan Benda Uji I... 57

4.3.2 Analisis Lendutan Benda Uji II ... 57

4.3.3 Analisis Lendutan Benda Uji III ... 58

4.3.4 Analisis Tegangan-Regangan ... 59

4.3.5 Simulasi Pola Retak Benda Uji I... 59

4.3.6 Simulasi Pola Retak Benda Uji II ... 60

4.3.7 Simulasi Pola Retak Benda Uji III... 61

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 62

5.1. Kesimpulan ... 62

5.2. Saran ... 63 DAFTAR PUSTAKA

x

DAFTAR GAMBAR

No Judul Hal

Gambar 2.1 Diagram Tegangan ultimit ... 12

Gambar 2.2 Reduksi faktor kekuatan sebagai fungsi daktilitas(ACI 440 2R 02) 13 Gambar 2.3 Distribusi tegangan penampang persegi tegangan pada pembebanan lentur ultimit (ACI 440 2R 02)... 14

Gambar 2.4 Distribusi tegangan regangan elastis (ACI 440 2R 02) ... 15

Gambar 2.5 Tampilan Program Analisis FRP keluaran PT.SIKA ... 16

Gambar 2.6 Drucker Prager Boundary (P. KMIECIK) ... 17

Gambar 2.7 Modifikasi kegagalan permukaan (Manual Program Numerik) .... 18

Gambar 2.8 Kekuatan beton di bawah tegangan biaxial(Manual Program Numerik) 18 Gambar 2.9 Kekuatan beton di bawah tarik uniaxial(Manual Program Numerik) 19 Gambar 2.10 Kekuatan beton di bawah tekan uniaxial(Manual Program Numerik) 19 Gambar 2.11 Idealisasi ElemenTruss(G.R. Liu) ... 20

Gambar 2.12 Idealisasi ElemenSolid(G.R. Liu) ... 21

Gambar 3.1 Dimensi Penampang Benda Uji... 24

Gambar 3.2 Tipikal Penulangan Benda Uji I, Benda Uji II dan Benda Uji III .. 24

Gambar 3.3 Benda Uji I (Tulangan tekan 210 dan tulangan tarik 310)... 25

Gambar 3.4 Benda Uji II (Tulangan tekan 210 dan tulangan tarik 312).... 25

Gambar 3.5 Benda Uji III (Tulangan tekan 210 dan tulangan tarik 314) .. 25

Gambar 3.6 Tumpuan, Letak Beban dan letak dial ... 26

Gambar 3.7 Alat Jack dengan kemampuan 25 ton ... 26

Gambar 3.8 Dial Jack 25 ton ... 27

Gambar 3.9 Titik-titik Pengamatan Regangan ... 28

Gambar 3.10 Alat Pengukur Regangan... 28

Gambar 3.11 CFRP direkatkan di bagian bawah di antara tumpuan balok ... 29

Gambar 3.12 CFRP pada Benda Uji I (2 baris dengan panjang 2m) ... 29

Gambar 3.14 CFRP pada Benda Uji III (1 baris dengan panjang 1.3m)... 30

Gambar 3.15 Menu pada ModulPart... 32

Gambar 3.16 Menu pada ModulProperty... 33

Gambar 3.17 Menu pada ModulAssembly... 33

Gambar 3.18 Menu pada ModulStep... 34

Gambar 3.19 Menu pada ModulInteraction... 34

Gambar 3.20 Menu pada ModulLoad... 35

Gambar 3.21 Menu pada ModulMesh... 35

Gambar 3.22 Menu pada ModulJob... 36

Gambar 3.23 Model Elemen ... 36

Gambar 3.24 Perilaku Material ... 37

Gambar 3.25 Balok yang sudah dirakit dengan tulangan... 38

Gambar 3.26 Elemen Balok yang sudah dimeshing... 38

Gambar 3.27 Balok yang sudah diberi beban... 38

Gambar 3.28 Balok dengan CFRP yang sudah dirakit dengan tulangan ... 39

Gambar 3.29 Elemen Balok dengan CFRP yang sudah dimeshing ... 39

Gambar 3.30 Balok dengan CFRP yang sudah diberi beban ... 39

Gambar 4.1 Grafik Hasil Benda Uji I Beban (ton) vs Lendutan (mm) ... 41

Gambar 4.2 Grafik Hasil Benda Uji II Beban (ton) vs Lendutan (mm)... 44

Gambar 4.3 Grafik Hasil Benda Uji III Beban (ton) vs Lendutan (mm) ... 45

Gambar 4.4 Letak regangan pada diagram regangan ... 45

Gambar 4.5 Letak Regangan yang Diukur... 46

Gambar 4.6 Grafik Hasil Benda Uji I diperkuat dengan CFRP Beban (ton) vs Lendutan (mm) ... 48

Gambar 4.7 Grafik Hasil Benda Uji II diperkuat dengan CFRP Beban (ton) vs Lendutan (mm) ... 49

Gambar 4.8 Grafik Hasil Benda Uji III diperkuat dengan CFRP Beban (ton) vs Lendutan (mm) ... 50

xii

Gambar 4.10 Grafik HasilBenda Uji II sebelum dan sesudah diperkuat dengan CFRP

Beban (ton) vs Lendutan (mm) ... 54

Gambar 4.11 Grafik HasilBenda Uji II sebelum dan sesudah diperkuat dengan CFRP

Beban (ton) vs Lendutan (mm) ... 55 Gambar 4.12 Pola retak Balok sebelum diperkuat dengan CFRP... 56 Gambar 4.13 Pola retak Balok sesudah diperkuat dengan CFRP ... 56

Gambar 4.14 Grafik Hasil Benda Uji I secaraAnalitis, Eksperimen dan Numerik 57

Gambar 4.15 Grafik Hasil Benda Uji II secaraAnalitis, Eksperimen dan Numerik 58

Gambar 4.16 Lendutan Benda Uji III secara Analitis, Eksperimen dan Numerik 58

Gambar 4.17 Grafik Tegangan- regangan Eksperimen vs Numerik Benda Uji I, Benda Uji II dan Benda Uji III ... 59 Gambar 4.18 Pola retak Balok Benda Uji I sebelum diperkuat dengan CFRP (Program

Numerik)... 60 Gambar 4.19 Pola retak Balok Benda Uji I sesudah diperkuat dengan CFRP (Program

Numerik)... 60 Gambar 4.20 Pola retak Balok Benda Uji II sebelum diperkuat dengan CFRP (Program

Numerik)... 60 Gambar 4.21 Pola retak Balok Benda Uji II sesudah diperkuat dengan CFRP (Program

Numerik)... 61 Gambar 4.22 Pola retak Balok Benda Uji III sebelum diperkuat dengan CFRP (Program

Numerik)... 61 Gambar 4.23 Pola retak Balok Benda Uji III sesudah diperkuat dengan CFRP (Program

DAFTAR TABEL

No Judul Hal

Tabel 2.1 Kekuatan tipikal dari Material Perkuatan... 9

Tabel 2.2 Tipikal Sika CarboDur Plates ... 11

Tabel 2.3 Parameter CDP (Program Numerik) ... 19

Tabel 3.1 Penulangan Benda Uji ... 23

Tabel 3.2 Tahapan Penambahan Beban pada Pengamatan Lendutan... 27

Tabel 3.3 Tahapan Penambahan Beban pada Pengamtan Regangan ... 29

Tabel 3.4 Tahapan Penambahan Beban pada Pengamatan Lendutan Balok dengan CFRP... 31

Tabel 3.5 Tahapan Penambahan Beban pada Pengamatan Regangan Balok dengan CFRP... 31

Tabel 4.1 Kuat Tekan Beton Benda Uji I dengan Alat HammerTest... 40

Tabel 4.2 Kuat Tekan Beton Benda Uji II dengan Alat HammerTest ... 40

Tabel 4.3 Kuat Tekan Beton Benda Uji III dengan Alat HammerTest ... 41

Tabel 4.4 Kuat Tarik Tulangan Baja Polos ... 41

Tabel 4.5 Hasil Pengujian Lendutan Benda Uji I... 42

Tabel 4.6 Hasil Pengujian Lendutan Benda Uji II... 43

Tabel 4.7 Hasil Pengujian Lendutan Benda Uji III ... 44

Tabel 4.8 Hasil Pengukuran Regangan Benda Uji I... 46

Tabel 4.9 Hasil Pengukuran Regangan Benda Uji II... 47

Tabel 4.10 Hasil Pengukuran Regangan Benda Uji III ... 47

Tabel 4.11 Hasil Pengujian Lendutan Benda Uji I diperkuat dengan CFRP.... 48

Tabel 4.12 Hasil Pengujian Lendutan Benda Uji II diperkuat dengan CFRP .. 49

Tabel 4.13 Hasil Pengujian Lendutan Benda Uji III diperkuat dengan CFRP. 50

xiv

Tabel 4.17 Hasil Pengujian Lendutan Benda Uji I sebelum dan sesudah diperkuat

dengan CFRP ... 53

Tabel 4.18 Hasil Pengujian Lendutan Benda Uji II sebelum dan sesudah diperkuat

dengan CFRP ... 54

Tabel 4.19 Hasil Pengujian Lendutan Benda Uji III sebelum dan sesudah

DAFTAR NOTASI

As = luas tulangan tarik A’s = luas tulangan tekan

b = lebar balok

h = tinggi balok

d = lebar balok

f”c = kuat tekan beton fy = tegangan leleh baja

C = Tegangan beton

T = Tegangan Baja

c = jarak dari sisi atas ke garis netral.

ε1 = regangan yang diukur pada jarak 50 mm dari sisi atas balok.

ε2 = regangan yang diukur pada garis tengah penampang balok.

ε3 = regangan yang diukur pada jarak 50 mm dari sisi bawah balok.

c = regangan beton pada sisi atas penampang balok.

s = regangan pada tulangan baja.

P = Gaya aksial

I = Inersia

Ma = Momen ijin

Mu = Momen ultimit

E = Modulus Elastisitas

Es = Modulus Elastisitas Baja

L = Panjang

Vu = Gaya geser Ultimit