BAB II TINJAUAN PUSTAKA - Analisa Pengaruh Penambahan Carbon Fiber Reinforced Polymer Sebagai Tulangan Eksternal Terhadap Keruntuhan Geser dengan Efek Samping Peningkatan Lentur

  

BAB  II

TINJAUAN  PUSTAKA

  2.1 Beton Bertulang

    Beton merupakan campuran dari semen portland, agregat kasar, agregat halus dan air. Yang dimana pada dasarnya beton menahan tekan tetapi lemah terhadap tarik, oleh karena itu beton di padukan dengan baja tulangan yang kuat terhadap tarik sehingga didapatlah satu kesatuan beton bertulang yang lazim kita gunakan pada konstruksi umum.

   

  2.2 Kelebihan Beton Bertulang Sebagai Struktur

  Beton bertulang banyak digunakan dalam konstruksi/struktur yang sangat penting. jenis-jenis pekerjaan yang mengunakan beton bertulang misalnya jembatan, gedung, dinding penahan tanah, bendungan dan lain-lain.

  Beton bertulang memiliki beberapa keuntungan dalam pengunaanya, yaitu :

  1. Beton mempunyai kuat tekan yang relatif lebih tinggi dibandingkan dengan material yang lainnya.

  2. Beton betulang sangat baik dalam struktur bangunan yang berhubungan langsung dengan air, dibeberapa kasus dapat kita lihat bahwa beton menjadi penutup/ pelindung yang saik baik pada tulangan didalamnya sehingga terhindar dari korosi. Disamping itu dalam hal peristiwa kebakaran, struktur yang mengunakan bahan beton sebagai konstruksinya hanya mengalami kerusakan pada permukaan dan tidak mengalami keruntuhan.

  3. Struktur yang menggunakan beton bertulang sangat kaku/kokoh

  4. Dalam hal pemeliharaan, beton sangat mudah dang relatif rendah

  5. Beton memiliki umur layan yang sangat tinggi, dalam hal ini beton memiliki kemampuan tetap sampai masa layannya

  6. Beton merupakan bahan yang ekonomis untuk struktur seperti pondasi tapak, dinding basement, tiang tumpuan jembatan dan bangunan-bangunan sejenis yang memerlukan beban gravitasi sebagai struktur

  7. Ciri khas beton yang sangat mudah untuk dibentuk dalam bentuk cetakan yang sangat beragam atau dengan kata lain beton dapat kita bentuk sesuai dengan keiingginan kita.

  8. Material pembentuk beton (pasir, kerikil, air) dapat dengan mudah kita jumpai di daerah-daerah, yang hanya memerlukan sedikit semen dan tulangan baja yang berasal dari pabrikan atau tempat lain.

  9. Keahlian buruh dalam membangun konstruksi beton bertulang lebih tinggi dibangdingkan dengan keahlian dalam membangun konstruksi lainya, dalam hal ini konstruksi baja.

2.3 Kelemahan Beton Sebagai Struktur

  Disamping memiliki beragam kelebihan, beton bertulang juga memiliki beberpa kelemahan, yaitu:

  1. Kuat tarik beton sangat rendah, akan tetapi memiliki kuat tekan yang sangat tinggi sehingga memerlukan tulangan sebagai penahan tarik

  2. Beton memerlukan bekesting untuk menahan beton tersebut sampai mengeras, penggunaan bekesting ini memerlukan biaya yang mahal.

  3. Beton memerlukan waktu yang relatif lama untuk mendapatkan kekuatan 100%, sehingga beberapa pekerjaan konstruksi yang lain terhambat

  4. Beton bertulang mempunyai berat yang sangat besar sehingga mempengaruhi struktur yang memiliki bentang yang sangat panjang

  2.4 Bahan tambahan (Admixture)

  Pemilihan beton bertulang sebagai bahan konstruksi ini membuat para ahli- ahli beton untuk mengembangkan dan menciptakan bahan-bahan tambahan

  (admixture) bagi beton bertulang tersebut.

  Bahan tambahan ini merupakan bahan yang dianggap penting sekarang ini karena dengan menggunakan bahan tambahan pada beton bertulang akan serba praktis, lebih efisien, ekonomis (dalam hal tertentu) tanpa ada pengurangan mutu beton dan pengurangan nilai estetika konstruksi yang mengunakan beton bertulang tersebut. Pengunaan bahan tambahan ini dimaksudkan untuk memperbaiki beton yang rusak karena faktor eksternal, dan menambah sifat beton tersebut (kekuatan) sesuai dengan yang diinginkan.

  2.5 Fiber Reinforced Polymer

  Fiber Reinforced Polymer (FRP) merupakan sejenis pelat tipis yang didalamnya terdapat serat-serat carbon dan fiber.

  Ada tiga prinsip dalam pengunaan FRP dalam hal perkuatan struktur, yaitu:

  1. Meningkatkan kapasitas axial, flexture (lentur) dan shear (geser) pada existing struktur yang diperkuat

  1 U l t i m a t e t e n s i l e strength of composite fibre in the primary direction

  26.100 N/ mm2 72.400 N/ mm2

  3 Tensile modulus based on cross section area of primary fibre

  D3039

  2 E l o n g a t i o n o f composite fibre > 1.5% > 1.0% ASTM

  986 N/mm2 ASTM D3039

  2

  575 N/mm

  Requirment for Carbon FRP Test standart

  2. Dapat meningkatkan daktalitas untuk meningkatkan ketahanan struktur terhadap gempa

  No Property Requiremen

t for Glass

FRP

  3. Aramid FRP

  2. Carbon FRP

  1. Glass FRP

  5. Meningkatkan kekuatan struktur untuk mengurangi defleksi (under service dan design load) (buyukozturk et al, 2004; taljsten and elfgren, 2000) Material FRP yang umum digunakan di industri konstruksi adalah :

  4. Memperpanjang ketahanan struktur terhadap fatique (fatique life)

  3. Meningkatkan durabilitas (daya tahan) struktur terhadap pengaruh lingkungan dan cuaca luar yang ekstrim (air laut dan kimia)

  ASTM D3039

  No Property Requiremen

t for Glass

FRP

  Requirment for Carbon FRP Test standart

  4 Shear bond strength of composite fibre on c o n c r a t e ( m i n i m u m grade 30)

  24 N/mm2 or f a i l u r e o f c o n c r a t e substrate

  2.4 N/mm2 or failure of c o n c r a t e substrate

  ASTM

C482-81

  6 G l a s s t r a n s i t i o n tempereture 80˚C 80˚C ASTM

  D4065

  Property E-Glass Aramid Carbon

  5 Suitability for contact with water intended for human consumption suitable suitable BS 6920: part 1&2: 1996

  2.2

  1.7

  1 Tensile modulus (GPA)

  26.1

  40

  95 Tabel 2.1 Perbandingan performance Carbon, Glass dan Aramid Besi Fy = 240 dan 400MPa Bentuk FRP yang sering dipakai pada perkuatan struktur adalah: 1.

  Plate/composite 2. Fabric/wrap

  Bentuk plate lebih efektif dan efisien untuk perkuatan lentur baik pada balok maupun plat pada dinding, sedangkan bentuk wrap lebih efektif dan efesien untuk perkuatan geser pada balok serta meningkatkan kapasitas beban axial dan geser pada kolom. Ada beberapa keuntungan penggunaan FRP sebagai perkuatan struktur, antara lain: 1.

  Kuat tarik sangat tinggi 2. Sangat ringan (density 1.4-2.6 gr/cm3, 4-6 kali lebih ringan dari baja)

  Ultimate tensile Strength (Mpa) 575 696 986 Elongation at break (%)

  3. Pelaksanaan sangat mudah dan cepat 4.

  Memungkinkan untuk tidak menutup lalu lintas (misalnya jembatan) 5. Tidak memerlukan area yang luas) 6. Tidak memerlukan joint, meskipun bentang yang dipakai cukup panjang 7. Tidak berkarat (non logam)

  Selain keuntungan, terdapat juga beberapa kerugian dari pemakaian FRP, antara lain: 1.

  Kurang tahan terhadap suhu yang tinggi, dengan suhu sekitar 70∘C, Bahan perekat epoxy resin akan berubah dari kondisi keras menjadi lunak, bersifat plastis daya lekatnya akan menurun 2. Pengerusakan dari luar (umumnya pada fasilitas umum) 3. Kurang tahan terhadap sinar ultra violet

  Sehingga untuk mengatasi kekurangan material ini diperlukan proteksi, misalnya dengan pelapisan atau penutupan dengan menggunakan mortar. Penggunaan FRP pada bangunan yang mungkin terjadi kebakaran harus dibatasi kenaikan kapasitas lenturnya agar nantinya jika terjadi kegagalan atau kerusakan pada FRP karena suhu yang sangat tinggi, komponen struktur diharapkan masih bisa bertahan memikul beban selama kebakaran berlangsung, sekitar 30% dari beban hidup (Triwiyono, 2006)

2.6 Standart Pedoman Perencanaan

  Pedoman yang diguanakn dalam melakukan perencanaan balok beton bertulang mengacu pada ACI yaitu ACI 440.2R-08 Guide for design and contruction

  of externally bonded FRP system for strengthening concrete structure.

  Di dalam ACI 440, selain faktor redusi kekuatan , juga terdapat faktor reduksi lainya, yaitu :

  1.Faktor reduksi partial untuk FRP yaitu : Lentur : 0.85 Geser : 0.95 (wrap 4 sisi) atau 0.85 (wrap 3 atau 2 sisi) Kolom : 0.90 (bulat); 0.50 (bujur sangkar) atau berdasarkan test (persegi) 2.

  Faktor reduksi untuk material FRP akibat pengaruh lingkungan (Ce), dipakai sebagai dasar perencanaan untuk kuat tarik ultimate dan regangan ultimate.

  3. pada perencanaan geser tegangan FRP dibatasi maximum sebesar 0.004

  Kondisi penempatan Carbon Glass Aramid

  Di luar ruangan

  1.0

  0.8

  0.9 Di dalam ruangan

  0.9

  0.7

  0.8 Tabel 2.2 Faktor reduksi lingkungan Ce Di dalam technical report no.55, digunakan faktor keamanan partial sebagai berikut: 1 Iu . . f = f * / ( mf mm m

  E)

  faktor keamanan partial untuk kekuatan

  mf :

  faktor keamanan partial untuk proses pembuatan atau pelaksanaan

  mm : m E : faktor keamanan partial untuk modulus elastisitas

Tabel 2.3 Faktor keamanan parsial untuk kekuatanTabel 2.4 Faktor keamanan parsial untuk modulus elastisitas

  Nilai yang di rekomendasikan sebagai faktor keamanan partial yang digunakan sebagai desain perkuatan komposit berdasarkan clarke.

  Type of system (and method of Addidtional Pertial safety Factor, aplication or manufacture) mm

  Plate

  1.1 Pultruded

  1.1 Prepeg

  1.2 Preformed

  Lembaran/Tapes

  Type of system (and method of Addidtional Pertial safety Factor, aplication or manufacture) mm

  1.1 Machines-controlled apllications

  1.2 vacum infusion 1.4 wet lay-out

  prefaricated (factory-made)shell

  1.1 Filament winding

  1.2 Resin trasnfer moulding

  1.4 hand lay-up 2.2 hand-held spray application

Tabel 2.5 Rekomendasi nilai keamanan untuk desain

2.7 Geser dan Tarik diagonal Pada Balok

  Komposit Beton bertulang telah beberapa kali diteliti dari perkuatan dalam bentuk geser dalam beberapa investigasi (anil, 2006; Mosallam and banerjee, 2007; Triantafillou, 1998) dan dalam beberapa aplikasi lapangan telah dilanjutkan di beberapa negara (Kachlakev and McCurry, 2000; Seible, 1995).

  Meskipun belum seorangpun yang mampu menentukan dengan tepat daya tahan beton terhadap tegangan geser murni, hal ini menjadi penting karena tegangan geser murni mungkin terjadi dalam struktur beton. karena kekuatan tarik beton lebih kecil dari kekuatan geser, maka beton akan runtuh sebelum kekuatan gesernya tercapai, akan tetapi, pengujian kuat geser beton selama bertahun-tahun selalu menghasilkan nilai-nilai leleh yang terletak dalam 1/3 sampai 1/4 dari kuat tekan maksimum.

2.8 Tegangan Geser Beton

  Dalam perencanaan beton bertulang terhadap gaya lintang ternyata sesuai dengan lentur murni, karena hal inilah yang menentukan perilaku dari struktur tersebut dalam keruntuhannya. pada gambar berikut dapat dilihat sebuah balok yang diberikan beban terpusat (F) dan perletakan pada kedua ujungnya ditumpu bebas. Karena dari beban yang bekerja pada balok tersebut dapat kita gambarkan diagram momen dan lintang nya, lalu arah lenturan dinyatakan dalam simbol.

Gambar 2.1 Bidang momen dan lintang saat pembebanan

  Dalam gambar dianggap beban sendiri pada balok diabaikan, dan kedua perletakan diangap sendi dan rol. maka pada kedua perletakan terdapat gaya lintang yang memiliki nilai konstan, dimana V=F, sedangkan gaya lintang di tengah bentah adalah nol. Momen lentur yang ada di tengah bentang memili nilai M = F.a dan momen lentur meningkat secara linier dari M=0 hingga M=F.a .

  Selama F masih kecil maka beton bertulang belum mengalami keretakan dan sesuai dengan lentur murni serta beton bersifat sebagai bahan yang homogen.

  Bentuk Distribusi pada tegangan geser (V) sepaham dengan mekanika struktur. Gambar distribusi tegangan geser dari balok persegi dengan lebar b dan tinggi h.

Gambar 2.2 Distribusi Tegangan Geser

  Maka sesuai dengan gamabar tegangan geser diatas berlaku rumus tegangan geser, yaitu : Dimana: V = Gaya lintang

  S = momen statis dari bagian yang tergeser terhadap garis netral b = lebar balok I = momen inersia

  Untuk penampang persegi nilai maksimum tegangan geser adalah :

  Maka bila beban F ditingkatkan, pada daerah tarik akan terjadi retakan dan material pun menjadi tidak homogen.

Gambar 2.3 Pola retak pada balok saat pembebanan

  Maka dari gambar diketahui bahwa tegangan geser tersebut bergantung kepada : 1.

  Jumlah tulangan yang ada 2. Bentuk busur tekan untuk gelagar yang “pendek” dan “lebar” lain daripada yang “ramping” antara lain dari perbandingan a/h 3. Ukuran daerah tekan, demikian pula dengan besar momen dan kualitas beton. Sedangkan pergeseran beton ditahan oleh : 1.

  Aksi pasak oleh tulangan memanjang (Vd).

  2. Komponen vertikal gaya geser yang tedapat pada retak miring akibat permukaan retakan yang tidak teratur. jalur retak umumnya akan menhindari butiran kerikil,

  A

  sehinggan pada retakan akan terjadi pembelahan material. Gaya geser (V ) pada retak miring dinamakan interlocking.

  3. CZ .Komponen vertikal gaya geser pada daerah tekan yang belum retak (V ). 4. s Gaya T yang terdapat pada tulangan yang ada. Dalam menguraikan pengaruh-pengaruh serta teknik perhitungan, maka ditetapkan bahwa gaya lintang yang bekerja pada penampang beton yang di tinjau harus memalui perencanaan sehingga didapatlah :

  ≤

  s

  V ∅ Vn maka dengan memperhitungakan gaya lintang yang terjadi pada penampang beton yang di tinjau, dan dengan memperhitungakan faktor beban yang terjadi, maka didapatlah :

  

u D L

  V = 1,2V + 1,6 V

Gambar 2.4 Retribusi perlawanan geser sesudah terbentuknya retak miring Vs adalah kekuatan geser nominal yang dihitung secara Va = Vc + Vs; dengan Vc = kekuatan geser nominal sumbangan beton Vs = kekuatan geser sumbangan tulangan geser

  ∅ = faktor reduksi kekuatan

2.9 Analisa Kuat Geser Balok Yang Bertulangan Geser

  Mekanismes Analogi Rangka (vakwerkanologi) analogi rangka merupakan konsep lama dari struktur beton bertulang. Konsep ini menyatakan bahwa balok beton bertulang dengan tulangan geser dikatakan berperilaku seperti rangka batang sejajar statis tertentu dengan sambungan sendi.

  Beton lentur dianalogikan sebagai batang atas rangka batang, sedangkan tulangan tarik sebagai batang bawah. Web rangka batang tersusun dari sengkang sebagai batang tarik vertikal dan bagian beton antara retak tarik diagonal mendekati

Gambar 2.5 Mekanisme analogi rangka

  45∘bekerja sebagai batang tekan diagonal. Tulangan geser yang digunakan berperilaku seperti batang web dari suatu rangka batang.

  Meskipun analogi rangka batang telah digunakan bertahun-tahun untuk menjelaskan perilaku balok beton bertulang dengan tulangan web, tetapi tidak menjelaskan dengan tepat bagaimana gaya geser dipindahkan. Maka penulangan geser akan meningkatkan kekuatan geser dari suatu unsur pada balok, akan tetapi penulangan sedemikan bentuknya hanya saja akan menyumbangkan sedikit perlawanan geser sebelum terbentuknya retak miring.

  Retak diagonal akan terjadi dalam balok dengan tulangan geser pada beban yang hampir dama jika retak tersebut terjadi dalam balok ukuranyang sama tetapi tulangan geser. Adanya tulangan geser hanya dapat diketahui setelah retak mulai terbentuk. Pada saat itu, balok harus mempunyai tulangan geser yang cukup untuk melawan gaya geser yang tidak ditahan oleh beton.

  Setelah retak geser terbentuk dalam balok, hanya sedikit geser yang dapat ditransfer melaui retak tersebut kecuali jika web dipasang untuk menjebatani celah tersebut. jika tulangan tersebut ada, beton pada kedua sisi retak akan dapat dipertahankan supaya tidak terpisah. Beberapa keuntungan dapat diambil, termasuk:

  1.

  cz Baja tulangan yang melalui memikul geser secara langsung, V .

  2. Tulangan mencegah retak semakin besar dan hal ini memungkinkan beton

  a mentrasfer geser sepanjang retak melalui kuncian agregat, V .

  3. Sengkang yang membungkus keliling inti beton berperilaku seperti gelang (hoop) sehingga meningkatlan kekuatan dan daktilitas balok. Dengan cara yang sama, sengkang mengikat tulangan memanjang ke dalam inti beton dari balok dan d. menahannya dari tarikan selimut beton, V 4. Dengan mengikat beton di kedua sisi retak, tulangan web membantu mencegah retak untuk bergerak ke dalam daerah tekan dari balok. Aksi pasak pada sengkang dapat memindahkan suatu gaya kecil menyebrangi retak, dan aksi ikat (confinement) dari sengkang pada beton tekan dapat meningkatkan kekuatan beton.

Gambar 2.6 Grafik distribusi geser dalam pada balok dengan tulangan geser

  Jenis umum dari penulangan geser, seperti pada gambar adalah (1) sengkang yang tegak lurus dengan tulangan memanjang; (2) sengkang yang membuat sudut 45∘atau lebih dari tulangan memanjang; (3) pembengkokan dari tulangan memanjang sehingga as dari bagian yang dibengkokan membuat sudut 30∘atau lebih dengan as memanjang; (4) kombinasi dari (1) atau (2) dengan (3).

Gambar 2.7 Jenis tulangan geser

  Sengkang miring atau diagonal yang hampir segaris dengan arah tegangan utama lebih efisien dalam memikul geser dan mencegah atau memperlambat terbentuknya retak diagonal. Tetapi sengkang semacam ini biasanya dianggap tidak praktis digunakan di Amerika Serikat karena diperlukan upah kerja yang tinggi untuk menempatkan sengkang tersebut.

2.10 Konstribusi FRP Dalam Memikul Geser

  Nilai dari kuat geser dengan perkuatan FRP dapat dihitung dengan menjumlahkan seluruh kontribusi perkuatan geser dari FRP, tulangan baja dan beton itu sendiri. Dan pada faktor reduksi Ψ harus dikalikan dengan kontribusi FRP pada sistem perkuatan. Dengan   kata   lain,   berdasarkan   analogi   rangka   lembaran   FRP   _f memikul  gaya  geser  yang  bekerja  dengan  menambahkan  V   (ACI  commiGee  report  

  440).

  

∅ Vn = ∅(Vc +Vs +ΨVf )

  Dengan : ∅ = Faktor reduksi kekuatan 0,65 Ψ

  = Faktor reduksi untuk tambahan FRP

Gambar 2.8 metode Wraping

  Ψ f =0,95

  Dibalutkan keseluruhan

  Ψ f =0,85

  Dibalutkan dua bagian atau tiga bagian