1. PENDAHULUAN 1.1. Baja Sebagai Bahan Bangunan Baja adalah suatu jenis bahan bangunan yang berdasarkan pertimbangan ekonomi, sifat, dan kekuatannya, cocok untuk pemikul beban. Oleh karena itu baja banyak dipakai sebagai bahan struktur, misalnya untuk rangka utama bangunan bertingkat sebagai kolom dan balok, sistem penyangga atap dengan bentangan panjang seperti gedung olahraga, hanggar, menara antena, jembatan, penahan tanah, fondasi tiang pancang, bangunan pelabuhan, struktur lepas pantai, dinding perkuatan pada reklamasi pantai, tangki-tangki minyak, pipa penyaluran minyak, air, atau gas. Beberapa keunggulan baja sebagai bahan struktur dapat diuraikan sebagai berikut. Batang struktur dari baja mempunyai ukuran tampang yang lebih kecil daripada batang struktur dengan bahan lain, karena kekuatan baja jauh lebih tinggi daripada beton maupun kayu. Kekuatan yang tinggi ini terdistribusi secara merata. The Kozai Club (1983) menyatakan kekuatan baja bervariasi dari 300 Mpa sampai 2000 Mpa. Kekuatan yang tinggi ini mengakibatkan struktur yang terbuat dari baja lebih ringan daripada struktur dengan bahan lain. Dengan demikian kebutuhan fondasi juga lebih kecil. Selain itu baja mempunyai sifat mudah dibentuk. Struktur dari baja dapat dibongkar untuk kemudian dipasang kembali, sehingga elemen struktur baja dapat dipakai berulang-ulang dalam berbagai bentuk. Fabrikasi struktur baja dapat dilakukan di bengkel-bengkel maupun pabrik dengan mesin-mesin yang cukup terkendali memakai komputer, sehingga akurasi dan kecepatan produksi yang baik dapat dicapai. Pengangkutan elemen-elemen struktur baja dari bengkel ke lokasi pembangunan mudah dilakukan. Sangat jarang dijumpai kerusakan elemen struktur baja sebagai akibat pengangkutan. Dua hal ini memberi keuntungan waktu pelaksanaan bangunan menjadi singkat. Waktu pelaksanaan yang singkat ini secara teknis sangat diperlukan dalam pembangunan struktur lepas pantai serta pelabuhan, sedang pada bangunan gedung yang komersial dari sudut pandang ekonomi cukup menguntungkan, karena bangunan yang dibuat dapat segera menghasilkan uang. Penyambungan elemen struktur baja dapat dilakukan secara permanen memakai las, .tanpa lubang-lubang perlemahan, sehinggga kekuatan sambungan tidak banyak berubah dari kekuatan batang aslinya. Sekalipun kalau ditinjau dari tegangan residu, sebagai akibat pendinginan yang tidak bersamaan serta pengerjaan secara dingin, sebenarnya pada baja tersebut timbul tegangan residu. Pekerjaan las yang kurang baik dapat mengakibatkan tegangan residu yang cukup besar yaitu sekitar 45% dari tegangan leleh baja. Hal ini berarti bahwa sebelum dibebani, elemen struktur sudah mempunyai tegangan, sehingga kemampuan untuk memikul beban menjadi berkurang. Baja sebagai bahan struktur juga mempunyai beberapa kelemahan. Salah satu kelemahan baja adalah kemungkinan terjadinya korosi, yang memperlemah struktur, mengurangi keindahan bangunan, dan memerlukan beaya perawatan cukup besar secara periodik. Matsushima dan Tamada (1989) menyatakan bahwa pemeliharaan jembatan dengan pengecatan setiap 5 tahun akan memakan biaya 10 persen dari harga bangunan. Hal ini berarti bahwa biaya 50 tahun pemeliharaan akan sama dengan biaya pembuatan jembatan baru. Kekuatan baja sangat dipengaruhi oleh temperatur. Pada temperatur tinggi kekuatan baja sangat rendah, sehingga pada saat terjadi kebakaran bangunan dapat runtuh sekalipun tegangan yang terjadi hanya rendah. Kendala berikutnya, karena kekuatan baja sangat tinggi maka banyak dijumpai batang-batang struktur yang langsing. Oleh karena itu bahaya tekuk (buckling) mudah terjadi.
1
1.2. Sifat Mekanis Baja Struktural Agar perancangan struktur dapat optimal, sehingga hasil rancangan cukup aman tetapi tidak boross, maka sifat-sifat mekanis bahan perlu dipahami dengan baik. Jika sifat-sifat bahan tersebut tidak dipahami dengan baik, hasil rancangan mungkin saja boros, atau berbahaya. Berikut ini akan dibicarakan berbagai sifat mekanis baja struktural. 1.2.1. Hubungan Antara Tegangan dan Regangan Untuk memahami sifat-sifat baja struktural,kiranya perlu dipahami diagram teganganregangan. Diagram ini menyajikan beberapa informasi penting tentang baja struktural dalam berbagai tegangan. Cara perancangan struktur baja yang memuaskan baru dapat dikembangkan setelah hubungan antara tegangan dan regangan dipahami dengan baik. Untuk pembuatan diagram tegangan-regangan perlu diadakan pengujian spesimen bahan. Agar ada persamaan persepsi dikalangan perencana bangunan, maka bentuk spesimen, ukuran, serta prosedur pengujian harus didasarkan pada suatu peraturan/standar, misalnya PUBI, ASTM, British Standard, ISO, Euro Standard, JIS, dan sebagainya. Pengujian kuat tarik spesimen baja dapat dilakukan dengan universal testing machine (UTM). Adapun bentuk spesimen untuk uji tarik dapat dilihat pada Gambar 1.1. Dengan mesin itu spesimen ditarik dengan gaya yang berubah-ubah,dari nol diperbesar sedikit demi sedikit sampai spesimen putus. Pada saat spesimen ditarik, besar gaya atau tegangan dan perubahan panjang spesimen atau regangan dimonitor terus-menerus. Untuk mesin yang mutakhir, biasanya mesin itu diperlengkapi dengan komputer yang dapat mencatat hasil monitoring dengan baik. Data yang terkumpul selanjutnya dapat ditampilkan dalam bentuk diagram yang dapat dilihat pada monitor. Diagram ini dapat diatur formatnya sesuai kebutuhan, untuk dicetak pada kertas pakai printer atau plotter, dan datanya dapat disimpan di dalam disk.
Gambar 1.1. Spesimen baja uji tarik
f
F D B A
E C
O
ε Gambar 1.2. Diagram tegangan-regangan baja
2
Diagram tegangan-regangan normal tipikal yang disajikan pada Gambar 1.2. memperlihatkan hubungan antara tegangan dan regangan pada OA linier. Pada fase tersebut peningkatan tegangan proporssional dengan peningkatan regangan, sedang di atas A diagram sudah tidak lagi linier yang berarti bahwa peningkatan tegangan sudah tidak proporsional dengan peningkatan regangan. Oleh karena itu tegangan pada titik A disebut sebagai tegangan batas proporsional. (proporsional limit) atau batas sebanding, dan biasa diberi notasi fp. Pada daerah proporsional (OA) berlaku hukum Hooke yang dinyatakan dengan Persamaan (1.1). f=Eε
…………………….(1.1)
dengan : E = modulus elastisitas f = tegangan ε = regangan Sedikit di atas titik A terdapat titik B dengan tegangan fe yang merupakan tegangan batas elastis bahan. Suatu spesimen yang dibebani tarikan sedemikian sehingga tegangannya belum melampaui fe, sekalipun mengalami perubahan panjang, tetapi panjang spesimen itu akan kembali seperti semula apabila beban dilepaskan. Apabila pembebanan telah dilakukan sehingga tegangan yang terjadi melampaui fe, maka pada saat beban dilepaskan panjang spesimen tidak dapat kembali sepenuhnya seperti panjang semula. Pada umumnya tegangan fp dan fe relatif cukup dekat, sehingga seringkali kedua tegangan tersebut dianggap sama. Regangan (ε) pada saat spesimen baja putus dapat dikaitkan dengan sifat liat/ulet baja. Semakin tinggi regangan yang dicapai pada saat spesimen putus, maka keuletan baja itu juga semakin tinggi. Pada umunya regangan baja pada saat spesimen putus berkisar sekitar 150—200 kali regangan elastis εe. Setelah titik B tegangan melampaui fe, dan baja mulai leleh. Tegangan yang terjadi pada titik B disebut sebagai tegangan leleh baja σl. Pada saat leleh ini baja masih mempunyai tegangan, berarti baja masih mampu memberikan reaksi atau perlawanan terhadap gaya tarik yang bekerja. Seperti terlihat pada Gambar 1.2. kurva bagian leleh ini mula-mula mendekati datar, berarti tidak ada tambahan tegangan sekalipun regangan bertambah terus. Hal ini menunjukkan bahwa hukum Hooke sudah tidak berlaku lagi setelah fase leleh dicapai. Bagian kurva yang datar ini berakhir pada saat mulai terjadi pengerasan regangan (strain hardening).di titik C, tegangan naik lagi sehingga dicapai kuat tarik (tensile strength) di titik D. Setelah itu kurva turun dan spesimen mengalami retak (fracture) di titik E. Diagram tegangan-regangan seperti terlihat pada Gambar 1.2, dibuat berdasarkan data yang diperoleh dari pengujian spesimen, dengan anggapan luas tampang spesimen tidak mengalami perubahan selama pembebanan. Menurut hukum Hooke, suatu batang yang dibebani tarikan secara uniaksial, luas tampangnya akan mengecil. Sebelum titik C, perubahan luas tampang itu kurang signifikan, sehingga pengaruhnya dapat diabaikan, tetapi setelah sampai pada fase pengerasan regangan, tampang mengalami penyempitan yang cukup berarti. Kalau penyempitan itu diperhitungkan, akan diperoleh kurva dengan garis putus-putus (Gambar 1.2). Tinggi tegangan pada titik-titik A, B, C, D, dan E tersebut di atas dipengaruhi oleh jenis baja. Jika diperhatikan Gambar 1.3, maka terlihat bahwa bagian kurva untuk berbagai kualitas baja pada fase proporsional terletak pada satu garis lurus. Hal ini memperlihatkan bahwa elastisitas baja (E) tidak dipengaruhi oleh tinggi tegangan leleh. Dengan memperhatikan regangan baja sebelum putus dapat diketahui apakah baja mempunyai sifat ulet (daktail) atau sebaliknya. Dari Gambar 1.3 terlihat bahwa baja yang mempunyai kuat tarik tinggi pada umumnya regangan batasnya rendah atau getas, sedang baja yang kuat tariknya rendah mempunyai regangan batas yang tinggi sehingga dapat dinyatakan daktail. Pada umumnya E baja berkisar antara 190 – 210 Gpa. Tatacara Perencanaan Struktur Baja Untuk Bangunan Gedung di Indonesia diatur dengan Standar Nasional Indonesia (SNI 03-1729-2002), selanjutnya di dalam buku ini
3
standar tersebut dituliskan dengan SNI-2002. Sifat-sifat mekanis baja berdasarkan SNI-2002 pasal 5.1.3 ditentukan sebagai berikut: Modulus elastisitas Modulus Geser Nisbah Poisoson Koefisien pemuaian
: E = 200 Gpa : G = 80.000 Mpa : μ = 0,3 : α = 12x10-6/oC
Sebagai bandingan, modulus elastisitas E berdasarkan British Standard 205 Gpa, berdasarkan AISC 200 Gpa, sedang modulus geser G berdasarkan British Standard 81 Gpa, sedang berdasarkan AISC 77 Gpa.
f
ε Gambar 1.3. Diagram tegangan-regangan tipikal berbagai baja struktural Teoritis tegangan leleh geser untuk pelat badan balok fv adalah 0,6 fy, sedang untuk tampang pipa tegangan leleh geser adalah sebesar 0,36 fy. Hubungan antara tegangan geser v dan perubahan sudut γ mempunyai diagram yang mirip dengan diagram tegangan-regangan, dan dapat dinyatakan dengan Persamaan (1.2) dan Persamaan (1.3). fv = G γ G =
…………….(1.2)
E 2(1 + υ)
……………..(1.3)
dengan : G = modulus geser fv = tegangan geser ν = angka Poisson Untuk menentukan tinggi tegangan leleh fy dari diagram tegangan-regangan seringkali terdapat kesulitan, apalagi jika alat uji tarik bahan tidak dilengkapi dengan komputer yang dapat mencatat hasil pengujian secara akurat. Oleh karena itu sering dipakai asumsi bahwa tegangan leleh adalah tegangan yang menimbulkan regangan tetap sebesar 0,2%, sehingga tegangan leleh dapat ditentukan dengan menarik garis lurus sejajar garis kurva yang linier, melalui titik pada sumbu X yang menunjukkan regangan 0,2% (Gambar 1.4). Berdasarkan tinggi tegangan leleh, ASTM membagi baja dalam empat kelompok sebagai berikut:
4
a. b.
Carbon steels (baja karbon) dengan tegangan leleh 210—280 Mpa. High-strength low-alloy steels (baja paduan rendah berkekuatantinggi) dengan tegangan leleh 280 – 490 Mpa. c. Heat treated carbon and high-strength low alloy steels (baja paduan rendah dengan perlakuan karbon panas) mempunyai tegangan leleh 322 – 700 Mpa. d. Heat-treated constructional alloy steels (baja struktural paduan rendah dengan perlakuan panas) dengan tegangan leleh 630 – 700 Mpa.
f fy
0,2%
O
ε
Gambar 1.4. Penentuan tegangan leleh Seperti halnya dengan ASTM, SNI-2002 membedakan baja strukturalal berdasarkan kekuatannya menjadi beberapa jenis yaitu Bj 34, Bj 37, Bj 41, Bj 50, dan Bj 55. Perencanaan struktur baja di Indonesia dilakukan secara kuat batas dengan factor aman berdasarkan Load Resistance Factored Design (LRFD). Adapun sifat mekanis berbagai jenis baja struktural dapat dilihat pada Tabel 1.1. Tabel 1.1. Sifat mekanis baja struktural
Jenis Baja
BJ 34 BJ 37 BJ 41 BJ 50 BJ 55
Tegangan putus minimum, fu (MPa)
Tegangan leleh minimum, f y (MPa) 210 240 250 290 410
340 370 410 500 550
Peregangan minimum (%) 22 20 18 16 13
1.2.2. Tegangan Leleh Pengaruh Kombinasi Beban Tegangan idiil fi adalah tegangan kombinasi yang terjadi akibat beberapa macam tegangan yang bekerja bersamaan pada suatu titik, dengan arah lebih dari satu. Seperti banyak dituliskan dalam berbagai buku mekanika bahan, tegangan-tegangan pada satu titik dalam struktur dapat diuraikan menjadi tiga tergangan utama. Tegangan tarik atau tegangan tekan yang bekerja pada tiga bidang yang saling tegak lurus dengan tegangan geser nol pada baja struktural, leleh akan terjadi jika tegangan idiil fi mencapai tegangan leleh fy. Dalam hal ini tegangan idiil fi dapat diperoleh dari kombinasi antara f1 , f2 , dan f3 pada Persamaan 1.5 sampai dengan Persamaan 1.10.
5
f i 2 = 0,5[(f1 − f 2 ) 2 + (f 2 − f3 ) 2 + (f3 − f1 ) 2 ]
………….(1.5)
fy adalah tegangan leleh yang diperoleh dari pengujian tarik uniaksial. Hubungan ini biasa disebut dengan kriteria leleh Henky – Von Mises atau distorsi energi. Pemakaian terbanyak didasarkan pada tegangan bidang, dengan tegangan utama yang tegaklurus bidang itu nol, Persamaan 1.5 berubah menjadi Persamaan 1.6. f i 2 = f12 + f 22 − f1 f 2
………….(1.6)
Persamaan 1.3 dapat disajikan dengan kurva interaksi tegangan-tegangan biaksial tanpa dimensi seperti terlihat pada Gambar 1.5. Kurva itu memperlihatkan bahwa pada keadaan fy sama dengan f2, maka leleh akan terjadi pada saat masing-masing komponen tegangan mencapai tegangan leleh, sedang untuk f1 yang tidak sama dengan f2 tetapi mempunyai tanda sama, maka lelah tidak akan terjadi pada tegangan yang sama atau kurang dari tegangan leleh. Untuk tegangan f1 yang mempunyai tanda sama dengan f2, maka leleh sudah terjadi sekalipun masing-masing komponen tegangan masih lebih rendah dari tegangan leleh. Agar persyaratan stabilitas dicapai, maka tegangan idiil fi tidak boleh melampaui fy. Jika tegangan idiil melampaui fy maka struktur akan mengalami kegagalan.
f2 fy
f y2 = f12 + f 22 − f1 f 2
+1
-1
+1
f1 fy
-1
Gambar 1.5. Kurva interaksi tegangan biaksial 1.2.3. Pengaruh Temperatur Perilaku baja struktural pada pembebanan secara singkat dengan temperatur tinggi serupa dengan perilaku baja pada temperatur ruangan, tetapi bentuk diagram teganganregangan dan nilai-nilainya berubah menjadi lebih rendah. Pada temperatur di atas 93o C, diagram tegangan-regangan menjadi non linier. Jika temperatur naik lagi antara 430o—540o C, maka penurunan tegangan leleh maksimal.
Gambar 1.6. Kuat tarik dan tegangan leleh baja pada berbagai temperatur
6
Pada temperature tinggi, elemen struktur dapat putus sekalipun tegangan yang terjadi masih rerndah. The Kosai Club (1983) memperlihatkan pengaruh kenaikan temperatur terhadap tegangan leleh dan kuat tarik seperti terlihat pada Gambar 1.6 dan Gambar 1.7. Demikian juga modulus Elastisitas yang untuk berbagi macam kualitas baja kurang lebih sama, mengalami penurunan jika temperatur dinaikkan akan berperilaku seperti Gambar 1.8 (Brockenbrough and Johnston, 1981). Perubahan modulus geser terhadap perubahan temperatur serupa dengan perubahan modulus elastisitas, tetapi angka Poisson tidak mengalami perubahan.
Gambar 1.7. Diagram tegangan-regangan baja SM58 pada temperatur tinggi
Gambar 1.8. Modulus elastisitas baja pada berbagai temperatur Sifat baja struktural di bawah pembebanan dalam kurun waktu yang lama sangat dipengaruhi oleh temperature secara signifikan. Jika beban yang lebih rendah dari beban batas dikerjakan pada temperatur ruangan, spesimen berubah bentuk dengan cepat menuju keadaan setimbang, setelah itu perubahan bentuk tidak berlanjut lagi. Jika pembebanan itu dilakukan pada temperatur tinggi, maka mula-mula spesimen akan berubah bentuk secara cepat, selanjutnya perubahan bentuk akan berlanjut terus secara lebih lambat. Suatu kurva creep untuk baja yang dibebani tarikan secara konstan pada temperatur tinggi yang juga konstan dapat dilihat pada Gambar 1.9.
Gambar 1.9. Sketsa kurva creep
7
Bentuk kurva creep untuk baja struktural yang dibebani dengan tegangan tekan pada temperatur tinggi yang konstan, serupa dengan bentuk kurva creep tarik, tetapi tidak terdapat daerah dengan perubahan bentuk meningkat seperti pada fase 3 kurva creep tarik. Creep ini dapat mempercepat terjadinya buckling (lipat). 1.2.4. Pengaruh Kecepatan Regangan Sifat mekanis yang telah dibicarakan di atas diukur dari pengujian bahan yang dilakukan dengan kecepatan regangan rendah atau pembebanan statik. Menurut ASTM, pembebanan statik adalah pembebanan dengan perubahan tegangan kurang dari 700 Mpa permenit. Seringkali penetapan sifat mekanis bahan dilakukan dengan pengujian tarik dengan kecepatan tinggi, atau dengan benturan tarik atau tekan. Pengujian tarik dengan cepat biasanya dilakukan dengan mesin uji tarik yang telah disesuaikan dengan gerakan cepat memakai beban yang relatif merata. Sifat yang diperoleh dari tarikan cepat biasanya mirip dengan hasil yang diperoleh dari pengujian tarik secara tumbukan. Selain itu juga telah dibuktikan bahwa sifat dinamik tarik dan dinamik tekan logam tidak banyak berbeda. Oleh karena itu hasil yang diperoleh dari pengujian dengan tumbukan (impact test) dapat dipakai untuk melukiskan sifat umum baja pada kecepatan pembebanan tinggi. Kurva a dan b pada Gambar 1.10 diperoleh dengan tumbukan berulang, kurva a diperoleh dari pengujian dengan kecepatan pembebanan paling tinggi, sedang kurva c diperoleh dari pengujian dengan kecepatan pembebanan rendah atau yang sering disebut dengan pembebanan statik. Tampak bahwa pengujian statik memberi hasil lebih rendah daripada pengujian dengan kecepatan tinggi.
Gambar 1.10. Diagram tegangan-regangan dinamik dan statik 1.2.5. Pengaruh Pengerjaan Secara Dingin. Dalam fabrikasi elemen struktur, berbagai macam bentuk profil seringkali dibuat dari pelat datar yang dilekukkan secara dingin pada temperatur ruang. Pelaksanaan semacam ini akan menyebabkan perubahan bentuk inelastis yang menimbulkan regangan sisa (residual strain) dan disertai dengan tegangan sisa (residual stress). Untuk memberi gambaran umum pengaruh perubahan bentuk secara dingin, ditinjau suatu spesimen yang dibebani dengan tarikan sampai terjadi perubahan bentuk plastis. Pembebanan ini dilakukan secara berulang-
8
ulang. Tampak pada Gambar 1.11. bahwa setiap beban dilepas, selalu ada regangan sisa, sehingga setelah pembebanan dilakukan beberapa kali dicapai regangan batas bahan yang apabila spesimen dibebani lagi, spesimen akan putus. Mengingat hal itu, maka dapat dipahami banwa sifat batang struktur yang dibentuk secara dingin cukup rumit.
Gambar 1.11. Pengaruh pengerasan regangan
Seperti terlihat pada Gambar 1.11, jika spesimen baja dibebani sampai daerah plastis atau pengerasan regangan, kemudian beban dilepas maka kurva pada pembebasan beban akan sejajar dengan kurva bagian elastis. Oleh karena itu akan terdapat regangan yang tertinggal setelah beban dilepas. Suatu spesimen yang telah diregangkan sampai fase pengerasan regangan, beban dilepas, selanjutnya spesimen disimpan beberapa hari yang disebut sebagai proses penuaan regangan (strain aging) pada temperatur ruangan. Setelah itu diadakan pembebanan ulang, maka terjadi peningkatan tegangan leleh dan kuat tarik, tetapi disertai penurunan regangan putus. Peristiwa ini dilukiskan pada Gambar 1.12.
Gambar 1.12. Pengaruh penuaan regangan
9
1.2.6. Pengaruh Pembebanan Berulang Dalam praktek sering dijumpai batang-batang struktur yang dibebani secara berulangulang sehingga suatu saat tegangan yang terjadi positif dan tinggi, sedang saat lain tegangannya rendah atau nol, atau bahkan sampai negatif. Pembebanan secara berulangulang semacam ini dapat mengakibatkan batang struktur putus sekalipun tegangan yang terjadi masih jauh dari tegangan leleh. Putusnya batang karena tegangan berulang-ulang ini disebabkan oleh kelelahan (fatigue). Pengujian kelelahan bahan di laboratorium dapat dilakukan dengan batang baja yang dilenturkan dan diputar terhadap sumbunya, seperti terlihat pada Gambar 1.13. Putaran ini akan mengakibatkan tegangan pada sebarang titik pada batang yang tidak di sumbu batang akan berubah-ubah, suatu saat tegangan positif, sedang saat yang lain negatif. Besar tegangan dapat dihitung berdasarkan kelengkungan serta momen inersia tampang batang. Semakin besar kisaran tegangan, semakin rendah jumlah siklus yang diperlukan agar batang putus. Hubungan antara jumlah siklus dan kisaran tegangan yang mengakibatkan batang putus ini dapat dilihat pada Gambar 1.14. Dalam pengujian ini, karena batang diputar dengan garis sumbu yang tetap, maka tegangan yang terjadi pada suatu titik pada tampang batang akan berubah-ubah tandanya positif dan negatif. Perbandingan antara tegangan maksimum dan minimum yang terjadi pada suatu titik (R) adalah -1. Semakin banyak jumlah siklus pembebanan ulang, semakin rendah tegangan lelah. Jika tegangan batas lelah tidak dilampaui, jumlah siklus pembebanan ulang dapat dilakukan tidak terbatas. Gambar 1.15 memperlihatkan bahwa spsimen baja T-1 yang diputar dengan jumlah siklus pembebanan 200.000 mempunyai tegangan batas lelah sebesar setengah kali kuat tarik bahan.
Gambar 1.13. Mesin putar spesimen
Gambar 1.14. Diagram tegangan leleh-N putar spesimen
10
Cara pengujian kelelahan dapat juga dilakukan dengan closed loop dynamic materials testing system. Pada pengujian ini, spesimen dibebani dengan tekan dan tarik secara bergantian. Pembebanan ini dilakukan berulang-ulang sampai spesimen putus. Hubungan antara tegangan batas dan jumlah ulangan pembebanan diperlihatkan pada Gambar 1.15 Pada percobaan ini dipakai perbandingan tegangan (R) 0, -1/2, dan -1. Perbandingan tegangan R=0 berarti bahwa beban tarik sebesar P dan tekan 0, sedang R=-1/2 berarti beban tarik P dan tekan -1/2 P. . Dari Gambar 1.15. terlihat bahwa tinggi tegangan batas lelah pada jumlah siklus pembebanan di atas 2.000.000 mendekati konstan, sedang pada jumlah siklus kurang dari 100.000 besar reduksi kekuatan dapat dipandang tidak begitu signifikan. Untuk memudahkan analisis, diagram tegangan batas lelah dengan skala logaritmis, yang nonlinier sesuai Gambar 1.15 seringkali disederhanakan bentuknya menjadi beberapa penggal garis lurus seperti Gambar 1.16.
Gambar 1.15. Diagram tegangan leleh-N tarik spesimen
Gambar 1.16. Diagram tegangan leleh-N tipikal
11
Gambar 1.17. Modifikasi Diagram Goodman Pada perencanaan bangunan gedung pengaruh kelelahan ini seringkali diabaikan karena dalam kurun waktu 20 tahun, siklus pembebanan 10 kali perhari hanya menghasilkan 73.000 siklus, sedang dalam perencanaan jembatan siklus pembebanan ini sangat perlu diperhitungkan. Seringkali untuk keperluan perencanaan dipakai diagram Goodman yang dimodifikasi seperti terlihat pada Gambar 1.17. Contoh diagram ini dibuat berdasarkan AISC dan dapat dipakai untuk berbagai jumlah siklus pembebanan. Dari diagram ini diperlihatkan bahwa untuk R di antara +1/2 dan +1, kelelahan tidak berpengaruh sepanjang tegangan minimum kurang dari setengah tegangan maksimum dan mempunyai tanda sama. Untuk pembebanan statik (R=+1) tegangan batas atas diperlihatkan dengan garis lurus mendatar pada 0,6 kali tegangan leleh. 1.2.7. Pengaruh Keretakan Getas Setelah temperatur diturunkan dengan tiba-tiba, maka peningkatan akan terjadi pada tegangan leleh, kuat tarik, modulus elestisitas, dan tegangan lelah. Sebaliknya keuletan baja yang diukur dari penyempitan tampang ataupun dari pertambahan panjang, turun akibat penurunan temperatur. Lebih lanjut pada suatu temperatur tertentu yang relatif rendah, baja struktural mungkin saja mengalami retak dengan sedikit atau tanpa perubahan bentuk plastis. Keretakan yang terjadi karena tegangan tarik yang lebih rendah dari tegangan leleh, biasanya disebut dengan keretakan getas. Keretakan getas (brittle fracture) umumnya terjadi pada baja struktural jika terdapat kombinasi hal-hal yang merugikan dari tegangan tarik, antara lain laju regangan pengaruh temperatur dan perubahan tampang secara mendadak. Perubahan bentuk plastis hanya dapat terjadi jika terdapat tegangan geser. Tegangan geser selalu terjadi pada pembebanan secara uniaksial atau biaksial, tetapi dalam tegangan triaksial dengan ketiga tegangan sama besar tegangan geser menjadi nol. Oleh karena itu tegangan tarik triaksial cenderung mengakibatkan keretakan getas, dan harus dihindari. Tegangan triaksial dapat terjadi pada pembebanan uniaksial jika terdapat penyempitan tampang atau perubahan bentuk tampang secara mendadak. Keretakan getas dapat juga terjadi akibat pengerjaan secara dingin ataupun penuaan regangan. Pembentukan secara dingin pengaruhnya dapat dikurangi dengan memilih jari-jari pembentukan sedemikian sehingga regangan yang timbul terbatas. Jika terdapat tegangan tarik sisa misalnya akibat pengelasan, maka tegangan sisa ini dapat mengakibatkan tegangan yang jauh lebih besar dari tegangan akibat pembebanan.
12
Keretakan dapat terjadi jika tegangan sisa ini cukup tinggi. Untuk mengurangi pengaruh tegangan sisa, pada baja struktural dapat dikenakan perlakuan panas (heat treatment). 1.2.8. Tegangan Sisa Tegangan sisa (residual stress) adalah tegangan yang tertinggal pada batang struktur setelah proses fabrikasi. Hal ini dapat dijelaskan oleh (a) pendinginan setelah penggilasn profil, (b) pengerjaan secara dingin, (c) pelubangan atau pemotongan, dan (d) pengelasan. Tegangan sisa yang perlu diperhatikan adalah akibat pendinginan dan pengelasan. Tegangan sisa positif biasanya berada pada pertemuan plat, sedang tegangan tekan terdapat pada bagian yang jauh dari pertemuan plat itu. Beberapa contoh bentuk distribusi tegangan sisa pada tampang profil WF dapat dilihat pada Gambar 1.18. Sesuai dengan persyaratan kesetimbangan maka resultan gaya dan momen yang terdapat pada tampang profil adalah nol. Dalam analisis tampang secara plastis maka tegangan sisa tidak berpengaruh pada kekuatan elemen struktur, baik pada batang tarik, batang tekan yang pendek (stocky culmns), maupun batang lentur. Pada elemen struktur tekan tegangan sisa ini dapat mengakibatkan premature buckling, sekalipun demikian penelitian Morisco (1986) memperlihatkan bahwa tegangan sisa yang terdistribusi linier, dengan tegangan sisa ekstrim 30 persen dari tegangan leleh, hanya menimbulkan penurunan kapasitas batang tekan dari profil WF, antara 0 sampai 4 persen.
Gambar 1.18. Beberapa contoh distribusi tegangan sisa pada profil WF Dalam analisis tampang secara plastis maka tegangan sisa tidak berpengaruh pada kekuatan elemen struktur, baik pada batang tarik, batang tekan yang pendek (stocky culmns), maupun batang lentur. Pada elemen struktur tekan tegangan sisa ini dapat mengakibatkan premature buckling, sekalipun demikian penelitian Morisco (1986) memperlihatkan bahwa tegangan sisa yang terdistribusi linier, dengan tegangan sisa ekstrim 30 persen dari tegangan
13
leleh, hanya menimbulkan penurunan kapasitas batang tekan dari profil WF, antara 0 sampai 4 persen.
1.3. Sifat Metalurgi Baja Baja yang biasa dipakai untuk struktur rangka (frame) bangunan adalah baja karbon (carbon steel) dengan kuat tarik sekitar 400 Mpa, sedang baja dengan kuat tarik lebih dari 500 MPa sampai 1000 MPa disebut dengan baja kekuatan tinggi (high strength steel). Baja kekuatan tinggi dengan kekuatan 500—600 MPa dibuat dengan paduan yang tepat ke dalam baja. Baja kekuatan tinggi dengan kuat tarik 600 MPa atau lebih, dibuat dengan bahan paduan disertai perlakuan panas (heat treatment). Dalam banyak hal, fabrikasi struktur baja dilakukan dengan las, agar tidak terjadi perlemahan akibat lubang baut. Oleh karena itu baja struktural tidak hanya dituntut berkekuatan tinggi, tetapi juga harus dapat dilas. Sayangnya semakin tinggi kekuatan baja, semakin sulit pengelasan dilakukan. Beberapa pengaruh komponen baja terhadap sifat mekanis dan kemudahan pengelasan dapat diuraikan sebagai berikut: a. Karbon (C) adalah komponen kimia pokok yang menentukan sifat baja. Semakin tinggi kadar karbon di dalam baja, semakin tinggi kuat tarik serta tegangan leleh, tetapi koefisien muai bahan turun, dan baja semaikn getas. Karbon mempunyai pengaruh yang paling dominan terhadap sifat mampu las. Semakin tinggi kadar karbon menjadikan sifat mampu las turun. b. Mangan (Mn) menaikkan kekuatan dan kekerasan baja dan sedikit menurunkan koefisien muai bahan, dan melawan terhadap kegetasan yang ditimbulkan oleh sulfur. c. Silikon (Si) meningkatkan tegangan leleh, tetapi mengakibatkan kegetasan jika kadar terlalu tinggi (2% atau lebih). d. Pospor (P) dan sulfur (S) meningkatkan kegetasan baja sesuai dengan peningkatan kadarnya. Keduanya cenderung memisah keluar (segregate) dari baja. Faktor utama pada kemudahan pengelasan adalah nilai ekivalensi karbon Ceq dari komponen kimia dalam baja. Baja berkekuatan tinggi cenderung mempunyai nilai ekivalensi karbon tinggi. Jika Ceq melampaui batas tertentu (Ceq=0,39—0,43), merosotnya sifat mampu las dapat diatasi dengan pra pemanasan pada daerah yang akan dilas. Ekivalensi karbon dapat dihitung dengan persaaan berikut, dengan satuan persen berat: Ceq = C +
1 1 1 1 1 1 Mn + Si + Ni + Cr + Mo + V 6 24 40 5 4 14
1.4. Fabrikasi .1.4.1. Proses Produksi Baja. Baja dan besi cor merupakan perpaduan antara Fe dan C, dengan rumus kimia Fe3C. Teoritis kandungan C pada baja dan besi cor adalah 6,67%, tetapi dalam praktek kaaandungan C pada baja sebanyak 0,06—2 %, pada besi cor 2—5 %, sedang pada besi murni maksimal 0,06 %. Baja diproduksi dengan cara melebur biji besi yang diperoleh dari tambang dalam tanur tinggi atau melebur kembali baja scraps dalam tanur pengolahan baja dengan bahan dasar biji besi atau besi tua ditambah arang kayu, kokas, oksigen dan bahan imbuh diolah dalam tanur temperatur tinggi. Arang kayu akan bertindak sebagai bahan bakar dan sekaligus bahan reduksi, sesudah bereaksi dengan udara panas yang dihembuskan lewat pemanas udara. Disini pemanasan diperoleh dengan pembakaran gas buang dari tanur. Hasil keluaran
14
dari tanur berupa massa-massa besi mentah dalam ukuran besar yang disebut pigs dan pig irons. Besi mentah ini masih kotor dan mengandung karbon yang berlebihan. Kotoran dan kelebihan karbon ini dihilangkan dengan cara menghaluskan besi tersebut. Untuk memperoleh mutu tinggi yang berkaitan dengan kekuatan, keliatan, sifat mampu las, dan ketahanan terhadap karat, perlu ditambahkan elemen-elemen paduan. Beberapa elemen paduan ini antara lain adalah tembaga, nikel, krom, mangan, molibden, pospor, silikon, belerang, titan, columbium, dan vanadium. Pengolahan di dalam tanur ini menghasilkan ingot baja.
Gambar 1.19. Proses fabrikasi baja Saat produksi baja dengan tanur oksigen dasar (basic oxygen furnace), tanur hearth terbuka (open hearth furnace) dan tanur elektrik, terbentuk inklusi oksida, silikat, sulfida alumina. Inklusi dapat dihindari dengan mengolah bahan mentah dalam tanur. Bahan mentah dilebur dalam ruang vakum. Gas-gas terlarut naik dan mengapung pada permukaan logam cair dan akhirnya masuk ke ruang vakum dalam tanur. Proses fabrikasi baja dapat dilihat pada Gambar 1.19. 1.4.2. Bentuk Tampang Baja Baja struktural diproduksi dalamberbagai bentuk seperti terlihat pada Gambar 1.20. Bentuk umum
Gambar 1.20. Berbagai bentuk propil baja
15
1.5. Korosi dan Cara Pencegahannya Teori tentang terjadinya korosi dapat diuraikan sebagai berikut. Dalam proses pembuatan baja, oksigen dipisahkan dari bijih besi secara paksa. Oleh karena itu secara alami, ada suatu kecenderungan baja berusaha kembali mencapai bentuk yang lebih stabil yaitu oksida besi (karat). Perubahan bentuk dari logam menjadi oksida dalam lingkungan yang induktif dinamakan korosi. Jika pada permukaan bajagilas terdapat air yang mengandung oksigen, maka akan terjadi reaksi yang mengubah bijih besi yang mempunyai potensi korosi rendah menjadi ferro hidroksida yang larut dalam air. Larutan ini bercampur dengan oksigen yang ada di dalam air menghasilkan ferri hidroksida (karat). Reaksi ini terulang seiring dengan perkembangan korosi. Keadaan lingkungan dengan kombinasi air dan oksigen yang berubahubah, mempengaruhi kecepatan dan perkembangan korosi. Jika tidak terdapat oksigen dan air, maka proses korosi tidak akan berjalan. Mengingat korosi dapat menimbulkan kerugian yang besar, maka upaya harus dilakukan untuk mencegah proses korosi pada elemen-elemen struktur. Banyak riset telah dilakukan untuk hal tersebut, beberapa metoda pencegahan korosi telah dikembangkan untuk mengengatasi permasalahan korosi. Sebagai contoh dapat disebutkan beberapa metode berikut ini: 1.5.1. Metoda pencegahan korosi primair. Biasanya metoda ini cukup mahal, yaitu dengan cara menambahkan elemen logam tertentu untuk meningkatkan ketahanan terhadap korosi, sebagai contoh stainless steel dan weathering steel.
1.5.2. Metoda pencegahan korosi sekunder, Pencegahan korosi sekunder dapat dilakukan dengan cara: (1) Coating, dilakukan untuk mengisolasi permukaan baja terhadap air yang mengandung oksigen. Hal ini dapat dilakukan dengan beberapa cara. Perlindungan sementara dapat dilakukan dengan minyak atau paslin. Cara lain adalah dengan pengecatan yang perlu dilakukan secara periodik. Perlindungan yang lebih permanen dapat dilakukan dengan lapisan logam lain, seperti zink, timah, atau tembaga, dengan cara disepuh Perlindungan terhadap korosi ini juga dapat dilakukan dengan cara lining dengan karet, plastik, atau porselin. (2) Electric protection , dilakukan jika pencegahan korosi sangat diperlukan mengingat elemen struktur itu tidak dapat direparasi, sebagai contoh adalah tiang pancang. Dalam hal ini pencegahan dapat dilakukan dengan perlindungan katodik (cathodic protection). Dua pertiga wilayah Indonesia terdiri atas lautan, mempunyai iklim tropis dengan kelembaban yang relatif tinggi, sehingga lingkungan ini sangat korosif. Lingkungan yang sangat korosif ini akan semakin agresif jika terdapat senyawa-senyawa polutan yang berasal dari industri seperti belerang dioksida, chlorida, sulfat, debu, dan lain sebagainya. Senyawasenyawa tersebut akan mempercepat laju korosi logam di udara, termasuk laju korosi komponen bangunan yang terbuat dari baja atau metal. Berikut ini akan diuraikan beberapa faktor yang ikut berperan pada proses korosi.
16
1.5.3. Pengaruh Suhu Udara Perbedaan suhu udara antara siang dan malam di Indonesia yang beriklim tropis cukup besar, berkisar antara 5—15o C. Suhu pada siang hari cukup tinggi sekitar 30o C, tetapi pada malam hari suhu udara turun menjadi sekitar 20o C, sehingga uap air di udara akan terkondensasi melekat pada permukaan bahan penutup atap dan dinding baja, membentuk lapisan air yang bertindak sebagai elektrolit. Suhu udara yang tinggi akan meningkatkan laju korosi yang cukup berarti. Diperkirakan kenaikan suhu 10o C akan meningkatkan laju korosi dua kali lipat. 1.5.4. Pengaruh Kelembaban Relatif Udara Pada siang hari, saat suhu udara tinggi, derajat kelembaban relatif udara rendah. Pada malam hari, saat suhu udara rendah, derajat kelembaban relatif udara tinggi. Dengan demikian terlihat bahwa derajat kelembaban relatif udara sangat dipengaruhi oleh suhu udara. Pada derajat kelembaban relatif udara rendah molekul-molekul air yang teradsorbsi tidak cukup untuk membentuk lapisan air yang dapat bertindak sebagai elektrolit, pada keadaan ini bahan penutup atap dan dinding baja tidak terkorosi. Pada derajat kelembaban udara relatif di atas harga kritis (70%) kebasahan udara akan berpengaruh terhadap laju korosi bahan penutup atap dan dinding baja. Sedang pada derajat kelembaban relatif udara bernilai 80% baja akan mulai terkorosi. Dengan kata lain baja mempunyai derajat kelembaban relatif kritis sebesar 80%. Polutan agresif di udara akan menurunkan derajat kelembaban kritis baja. Misalnya kandungan polutan 0,01% gas SO2 di udara menjadikan derajat kelembaban kritis baja turun menjadi 60%. Di atas nilai ini laju korosi baja akan naik secara menyolok. 1.5.5. Pengaruh Arah Kecepatan Angin Di daerah pantai dan daerah industri, angin membawa polutan-polutan agresif yang berasal dari percikan garam yang berasal dari laut dan hasil buangan industri. Polutanpolutan tersebut yang terbawa oleh angin akan kontak dengan permukaan bahan penutup atap dan dinding baja. Oleh karena itu arah dan kecepatan angin di daerah pantai dan daerah industri akan mempengaruhi laju korosi pada bahan penutup atap dan dinding baja yang digunakan pada bangunan-bangunan di daerah tersebut. 1.5.6. Pengaruh Curah Hujan Air hujan melarutkan oksigen dan polutan-polutan yang berbentuk padat maupun gas, sehingga karak-teristik air hujan tergantung dari jenis polutan yang terlarut. Ada air hujan yang jatuh pada permukaan atap atau dinding baja yang akan membentuk suatu lapisan elektrolit.
17
Daya hantar lapisan elektrolit akan naik karena polutan-polutan agresif yang terlarut dalam air hujan tersebut, sehingga laju korosi bahan penutup atap dan dinding baja akan naik, terutama pada daerah-daerah genangan air, tempat garam terlarut akan terakumulasi. 1.5.7. Derajat Polusi Udara Udara yang tercemar oleh beberapa senyawa dari hasil pembakaran atau buangan industri akan mempercepat laju korosi bahan penutup atap dan dinding dari baja, yang digunakan pada bangunan di daerah tersebut. Beberapa materi pencemar seperti asap, pasir, gas SO2, H2S, dan NH3 akan berperan banyak pada proses korosi bahan penutup atap dan dinding dari baja yang dilapisi oleh partikel-partikel padat yang mengandung sulfat atau chlorida pada kelembaban tinggi atau adanya air hujan akan membentuk lapisan elektrolit yang aktif dan sangat agresif. Polutan lain yang mempercepat korosi bahan penutup atap dan dinding baja adalah CO2. Di daerah industri atau daerah padat kendaraan bermotor, gas ini merupakan hasil pembakaran bahan bakar yang mengandung belerang. 1.5.8. Percikan Air Garam Yang Berasal Dari Laut Air garam yang berasal dari laut mengandung ion chlorida yang sangat agresif terhadap korosi logam di lingkungan udara. Percikan air garam yang berasal dari ombak laut berbentuk partikel halus yang terbawa angin akan melekat pada permukaan penutup atap dan dinding baja. 1.5.9. Pipa Penyaluran Air Terpendam Pengaliran air, minyak, dan gas seringkali memakai pipa baja yang ditanam di dalam tanah. Korosi pada pipa-pipa pengaliran ini dapat disebabkan oleh beberapa hal berikut ini.
a. Korosi sel makro terjadi jika sel makro terbentuk sebagai akibat perbedaan potensial lokal, misalnya pipa panjang melewati beberapa lingkungan yang berbeda, atau bahan pipa bermacam-macam. Korosi sel makro akibat perbedaan lingkungan terutama disebabkan oleh perbedaan kandungan oksigen di dalam tanah. Sebagai contoh, pipa tertanam melewati pasir dan lempung (Gambar 1.21). Kandungan udara pada lempung rendah sehingga kadar oksigen juga rendah, sedang pada pasir terjadi kebalikannya. Perbedaan kadar oksigen ini dapat mengakibatkan perbedaan potensi sampai 150 mV, dengan anoda pada daerah lempung. Korosi paling parah terjadi pada perbatasan. Menurut Okimoto, jika pipa tidak diisolasi terhadap lingkungan, laju korosi dapat mencapai 0,4 mm per tahun. Korosi sel makro dapat juga terjadi pada pipa yang sebagian berada di atas muka air tanah, sedang sebagian lagi berada di bawah muka air tanah (Gambar 1.22). Pada kasus ini konsentrasi oksigen di bawah muka air tanah rendah, sehingga bagian ini menjadi anoda. Perbedaan potensial dapat mencapai 170 mV. Korosi terjadi sekitar muka air tanah, dengan laju kortosi sekitar 0,47 mm per tahun.
18
Gambar 1.21. Korosi karena perbedaan jenis tanah
Gambar 1.22. Korosi pipa di sekitar muka air tanah Perbedaan derajat pH lingkungan juga dapat mengakibatkan korosi sel makro. Sebagai contoh pipa yang terpasang melewati tanah menembus beton terus ke tanah lagi (Gambar 1.23), dengan perbedaan potensial sekitar 320 mV. Untuk memberikan gambaran yang lebih jelas tentang potensial beberapa macam logam pada mortel semen, maka disajikan Tabel.2 berdasarakan uraian Okamoto. Tabel 1.2. Potensial beberapa logam dalam mortel semen
Jenis Metal Nikel Tembaga Baja Timah Cadmium Timah Hitam Zink
Potensial (mV) Di Air Laut
Di Mortel Semen
-270 -210 -720 -490 -760 -510 -1060
- 40 -200 -180 -980 -870 -650 -450
Sebagai contoh pemakaian dua bahan yang saling tidak cocok, sehingga mengakibatkan terjadinya korosi yaitu pemasangan katup tembaga pada pipa baja. Contoh lain yang sering kurang diperhatikan adalah pemakaian pipa hitam tanpa lapis pelindung, atau penyambungan pipa lama dengan pipa baru. Pipa baru cenderung menjadi anoda, sehingga pipa baru dapat
19
mulai berkarat lebih cepat dari yang diperkirakan. Perhatian khusus perlu diberikan agar pipa baja baru jangan sampai disambung dengan pipa lama yang terbuat dari baja tuang dengan lapisan graphit.
Gambar 1.23. Korosi pada pipa yang menembus beton Kebanyakan pipa penyalur yang penting dan modern dilindungi terhadap korosi secara kombinasi seperti terlihat pada Gambar 1.24. Tiga alat pencegah korosi dikombinasikan, yaitu isolasi terhadap struktur lain, pemakaian lapisan kuat, dan pemakaian perlindungan katodik. Isolasi terhadap elemen struktur lain sangat perlu dilakukan untuk mencegah terbentuknya sel-sel galvani makro di antara pipa dengan elemen struktur lain yang cenderung mempercepat korosi. Tanpa isolasi, pelapisan pipa tidak akan efektif karena arus galvani makro akan keluar lewat retakan lapis pelindung yang praktis tidak dapat dihindarkan. Hal ini mengakibatkan korosi terjadi cukup parah pada daerah tertentu
Gambar 1.24. Pencegahan korosi dengan kombinasi isolasi, pelapisan, dan katoda
20
Gambar 1.25. Korosi karena celah lapis pelindung Lapisan organik merupakan isolasi arus listrik yang efektif dipakai untuk memisahkan antara permukaan pipa baja dengan tanah yang biasanya cukup korosif. Aspal yang diperkuat dan lapis enamel sebagai lapis pelindung, kini mulai digeser oleh lapisan polyethylene. Lapisan pelindung dapat retak akibat benturan pada saat pemasangan pipa (Gambar 1.25). Untuk melindungi permukaan pipa baja yang terbuka ini biasanya dipasang pelindung katodik.
Korosi temperatur tinggi terjadi pada pipa bawah tanah yang dipakai untuk mengalirkan cairan panas, seperti air panas dan minyak mentah (crude oil), Semakin tinggi temperatur cairan semakin tinggi pula laju korosi. b. Korosi elektrolit banyak terjadi pada pipa yang berdekatan dengan jalur kereta rel bawah tanah yang memakai tenaga listrik. Kebocoran arus listrik yang masuk ke dalam tanah, menjalar ke pipa dan diteruskan ke setasiun daya. Korosi tidak terjadi di sekitar kebocoran arus, tetapi terjadi di sekitar ujung-ujung pipa (Gambar 1.26).
Gambar 1.26. Korosi akibat berdekatan dengan rel kereta listrik
21
1.5.10. Pipa Pelayanan Bangunan Masalah korosi yang serius dan paling sering terjadi pada bangunan adalah pada pipa pelayanan. Kegagalan pipa air dan gas yang terlalu dini merupakan permasalahan yang masih sering muncul. Laju korosi yang sampai beberapa mm/th dapat mengakibatkan pipa berlubang-lubang hanya dalam waktu dua tahun. Kebanyakan korosi pipa pelayanan suatu gedung disebabkan oleh kontak langsung antara pipa dengan tulangan beton (Gambar 1.27), sedang korosi yang ditimbulkan oleh perbedaan macam tanah pada bangunan gedung ternyata tidak banyak dijumpai, karena daerah pelayanan pipa di sekitar gedung tidaklah luas, sehingga variasi tanah tidak signifikan.
Gambar 1.27. Korosi akibat kontak langsung antara pipa dan tulangan Untuk menanggulangi korosi yang cepat pada pipa galvanis, agar tidak terjadi lubanglubang pada waktu yang dini, maka pipa pelayanan perlu diisolasi terhadap tulangan struktur beton (Gambar 1.28). Pemakaian lapis orgnik sangat dianjurkan untuk meningkatkan pencegahan terhadap proses korosi. Pipa penyaluran air yang dilas listrik dapat diserang korosi pada bagian las sisi dalam, membentuk suatu alur. Hal ini disebabkan oleh pemanasan secara lokal pada saat pengelasan yang disusul dengan proses pendinginan secara cepat, mengakibatkan sifat metalurgi baja di sekitar las mengalami perbedaan dengan baja aslinya, dan mudah terjadi korosi. Korosi pada daerah las terjadi cukup parah, dengan laju korosi yang sangat tinggi, dapat mencapai beberapa mm/th. Masalah ini dapat diatasi dengan memakai pipa yang berkekuatan tinggi. Pelapisan dengan polyethylene dan PVC pada pipa baja sangat membantu pencegahjan terhadap korosi.
Gambar 1.28. Isolasi pipa terhadap tulangan beton
22
1.5.11. Pencegahan Korosi Pada Jembatan Baja Jembatan baja mempunyai beberapa keunggulan terhadap jembatan beton. Jembatan baja lebih ringan, lebih mudah dibuat, kekuatannya dapat lebih dipercaya. Berbagai hal ini menjadikan jembatan baja lebih disukai, apalagi jembatan baja lebih indah dalam bentuk serta warnanya. Kebanyakan jembatan baja dilindungi terhadap korosi dengan pengecatan secara berkala. Pengecatan ulang pada jembatan dengan laju korosi sedang biasanya dilakukan setiap lima tahun. Setelah perang dunia II banyak cat resin sintetis yang diperkenalkan. Cat dari jenis ini jauh lebih tahan korosi bila dibandingkan dengan cat konvensional. Namun demikian tingkat keawetannya masih sangat dipengaruhi oleh kesempurnaan pembersihan permukaan sebelum pengecatan. Pemakaian cat terbaik sekalipun, jika tidak disertai pembersihan permukaan sebagaimana mestinya, hasilnya akan sangat mengecewakan. Tiga puluh tahun terakhir ini teknologi cat mengalami perkembangan cukup pesat, sesuai dengan tuntutan yaitu awet, menarik, perawatan minimal, serta ekonomis. Sistem tertentu memakai lapisan setebal 200 mikron atau lebih, dimaksudkan untuk memperpanjang interval pengecatan ulang 10 sampai 15 tahun. Sebagai contoh, pemakaian cat yang mengandung zink anorganik dengan film tebal dari cat phenolic resin, cat karet klorinat, atau cat polyurethene resin. Penyemprotan zink-metal pada cat zink anorganik juga dikenal sebagai prime coat. Jika pengecatan tidak diperlukan, keuntungan secara ekonomis menjadi tak ternilai. Suatu kenyataan pengecatan dapat dihindarkan dengan penggunaan baja tahan karat dengan paduan rendah (low-alloy weathering steel), seperti tembaga )Cu), pospor (P), krom (Cr), nikel (Ni), aluminium (Al), molybdenum (Mo), titanium (Ti). Salah satu atau beberapa aloi tersebut dicampurkan pada baja. Setelah beberapa tahun, reaksi antara aloi dengan oksigen yang terdapat di udara secara bebas, maka akan terbentuk suatu lapis tipis karat yang menutup permukaan baja. Lapis karat tipis ini menghambat terjadinya korosi lebih lanjut. Berbeda dengan karat pada umumnya, maka karat pada weathering steel ini berwarna coklat tua dan menambah keindahan. 1.5.12. Korosi Pada Bangunan Lepas Pantai Pembangunan samudera adalah salah satu tuntutan teknologi modern. Pembangunan ini bertujuan meningkatkan manfaat sumber-sumber lautan, pengembangan energi lautan dan pemanfaatan ruang samudera bagi kesejahteraan manusia. Struktur lepas pantai kebanyakan dibuat dari baja, karena pertimbangan ekonomi, kemudahan fabrikasi, serta kemudahan pemasangan. Suatu kendala dijumpai dalam pemakaian baja di laut, karena baja mudah terserang korosi, sedang lingkungan laut jauh lebih korosif jika dibandingkan dengan daratan. Korosi pada air laut sangat rumit karena banyak faktor lingkungan berperan, seperti temperatur,
23
kadar garam. Oksigen yang larut, pH, gaya pukulan ombak dan arus, serta pencemaran biologi. Korosi air laut juga dipengaruhi oleh faktor-faktor yang berkaitan dengan logam. Untunglah kemajuan teknologi saat ini telah menemukan langkah-langkah yang diperlukan dalam penanggulangan korosi. Pada dasarnya ada empat metoda untuk mencegah terjadinya korosi pad abaja di lingkungan lautan: (a) pemakaian lapis pelindung, (b) perlindungan katodik, (c) peningkatan mutu rancangan, dan (d) modifikasi mutu baja. Sistem penanggulangan korosi pada sebarang struktur dituntut untuk efektif, kemudahan dalam fabrikasi dan pemeliharaan, serta ekonomi dalam keseluruhan. Pertimbangan kemudahan pemeliharaan seringkali kurang diperhatikan dalam pembangunan. Sekalipun suatu sistem mempunyai efektifitas yang tinggi pada saat awal, tetapi efektifitas itu akan berkurang seiring dengan waktu, baik secara kimia, mekanika, atau kombinasinya. Dengan demikian pemeliharaan sangat perlu dipertimbangkan dari segi biaya serta kemudahannya. Sebagai contoh, jika tiang-tiang pancang sebagai struktur lepas pantai dilindungi dengan lapis pelindung organik, maka dapat dipertanyakan bagaimana cara inspeksi untuk mengetahui apakah lapis pelindung itu telah rusak. Lebih lanjut pemasangan lapis pelindung yang baru sangatlah sulit, bahkan dapat dikatakan tidak mungkin dilaksanakan. Lingkungan struktur lepas pantai dapat dibedakan dalam lima macam berdasarkan posisinya terhadap permukaan air laut (Gambar 1.29), yaitu atmosfir, daerah percikan ((splash zone), permukaan pasang surut (tidal zone), di bawah permukaan (submerged zone), dan daerah lumpur (mud zone).
Gambar 1.29. Pembagian zone dan tebal korosi relatif (Kure, NC)
Daerah percikan dan permukaan pasang surut. Dari dua daerah ini, daerah percikan adalah bagian yang mengalami korosi sangat berat, sedang daerah permukaan pasang surut relatif ringan untuk suatu batang struktur vertikal tanpa lapis pelindung, seperti tiang pancang. Hal ini karena daerah permukaan pasang surut secara galvanis dilindungi oleh bagian yang berada sedikit di bawahnya. Bagian yang tersebut belakangan ini laju korosinya meningkat bersamaan dengan perlambatan korosi pada daerah permukaan pasang-surut. Tetapi jika tiang pancang diberi lapis pelindung dari bahan yang dapat berfungsi sebagai
24
Lingkungan atmosfir. Bagia struktur di atas permukaan air yang langsung berhubungan dengan atmosfir biasanya diberi lapis pelindung dari cat seperti pada struktur baja di daratan. Sudah barang tentu cat yang dipakai harus mempunyai ketahanan yang tinggi terhadap korosi, karena lingkungan lautan sangat korosif. Jembatan baja yang berdekatan dengan pantai harus dilapis cat dengan tebal lebih dari 200 mikron. Cat yang dipakai harus dipilihkan yang kuat, tahan lama, dan pemeliharaannya minimal. Spesifikasi tipikal adalah cat anorganik dengan kadar zink cukup tinggi, atau penyemprotan zink dicampur lapisan tebal cat resin sintetis. Zone di bawah permukaan air laut. Bagian-bagian struktur baja yang sepenuhnya di bawah muka air laut dapat dilindungi secara efektif memakai arus katoda (cathodic protection), karena metal menerima arus searah dari lingkungan seperti proses pada katoda sel listrik. Korosi pada lingkungan basah biasanya disertai penghentian arus searah yang ditimbulkan oleh perbedaan potensial listrik pada sel korosi tertentu. Pemakaian arus dari sumber luar cukup mampu menghentikan arus korosi dan mengembalikan aliran arus ke dalam metal. Aspek teknologi yang perlu dipertimbangkan adalah bagaimana memberikan arus yang rata ke setiap bagian struktur pada zone di bawah permukaan air laut dalam waktu yang lama, dan bagaimana agar perawatan menjadi mudah. Bagian-bagian yang tidak cukup menerima arus mulai mengalami korosi, sedang bagian yang menerima arus terlalu banyak akan rusak karena tertutup bahan organik, dan pada beberapa kasus kerusakan baja disebabkan oleh hidrogen yang terjadi di permukaan baja. 1.5.13. Korosi Pada Fondasi Tiang Tidak seperti kasus perpipaan di bawah tanah yang dikelilingi dengan tanah terusik, fondasi tiang yang secara seragam dikelilingi tanah tidak terusik biasanya korosinya sangat rendah. Hal ini diperkuat oleh hasil penelitian the National Bureau of Standard (NBS) di Amerika Serikat dan penelitian di Jepang menyatakan bahwa laju korosi rata-rata setelah pipa dipancang selama 10 tahun adalah 0,01-0,02 mm per tahun. Korosi sedikit lebih besar dijumpai pada kedalaman sampai 3 m dari permukaan tanah. Laju korosi hasil penelitian di Jepang ini dapat dilihat pada Gambar 1.30.
Gambar 1.30. Laju korosi tiang pancang
25
Faktor-faktor penting yang mempengaruhi korosi pada tiang pancang antara lain adalah komposisi tanah, aerasi, kelembaban, aerasi, pH, keasaman, bakteri, temperatur, dan sel-sel makro. Komponen tanah yang mempengaruhi korosi antara lain adalah sulfida, hidrogen sulfida, asam belerang, dan zat organik. Semakin rendah pH suatu tanah, maka semakin tinggi laju korosi tanah itu. Dalam hal-hal tertentu, korosi yang parah dapat saja terjadi karena pengaruh galvanis permukaan struktur atau elektrolisis arus menyimpang. Oleh karena itu evaluasi situasi korosi sebelum pemasangan dapat dikatakan sangat perlu. Jika diantisipasi akan terjadi korosi, maka dalam perancangan dapat dipertimbangkan pemakaian perlindungan katodik pada fondasi tiang, atau pemakaian isolasi pada sambungan antara fondasi tiang dengan struktur bawah tanah yang lain. Pemakaian cat pada fondasi tiang sebagai pencegah korosi tidak akan memberikan hasil yang baik, karena pada saat pemancangan lapisan cat itu dapat rusak. 1.5.14. Korosi Pada Tangki Minyak Tangki minyak berhubungan langsung dengan tiga macam lingkungan yang korosif, yaitu tanah dasar tangki, udara, serta air yang memisah dari minyak dan mengumpul di dasar tangki. Korosi dapat menimbulkan lubang-lubang pada tangki dan mengakibatkan kebocoran. Lubang-lubang itu selain menimbulkan kerugian minyak juga memacu bahaya kebakaran. Selain itu lubang-lubang juga memperlemah struktur, sehingga dapat mengakibatkan keruntuhan pada saat terjadi gempa bumi. Korosi pelat dasar tangki dapat dipercepat oleh arde yang terbuat dari tembaga. Tembaga termasuk logam yang lebih mulia daripada baja dan mengakibatkan korosi bimetalik pada baja. Kadang-kadang terjadi sel makro galvanis antara beberapa tangki yang dihubungkan dengan pipa. Dalam kasus tertentu pelat dasar tangki menjadi anoda dari komponen yang lain dan korosi terjadi lebih cepat. Sisi luar tangki yang langsung berhubungan dengan udara biasanya dicat dan bebas dari korosi sepanjang lapis cat cukup rapat. Udara sekitar tangki umumnya sangat korosif, karena tangki biasanya berada di daerah industri yang udaranya banyak mengandung sulfur dioksida, dan seringkali berdekatan pantai dengan udara mengandung chlorida cukup tinggi. Korosi mudah terjadi pada bagian yang memungkinkan air hujan mengumpul dan tertahan dalam waktu lama. Korosi pada sisi pelat dalam tangki minyak terjadi di dasar dan menyerang pelat tempat terkumpulnya air yang memisah dari minyak. Drainasi memang dapat dilakukan dengan pipa secara periodik, tetapi permukaan pelat tetap berhubungan dengan air dalam waktu yang lama, sehingga proses korosi tetap berlangsung Korosi tangki minyak yang tidak dicat juga terjadi pada pengujian tekanan hidrostatis pada saat pembuatan. Pengisian dan pengososngan tangki yang besar dapat memakan waktu sampai satu bulan. Korosi ini akan semakin parah jika pengujian tekanan memakai air laut.
26
Tangki minyak terjadi kontak dengan tanah pada sisi luar pelat bagian bawah. Korosi terjadi secara lokal, dengan kecepatan 0,1 – 0,5 mm/th, lebih rendah dari laju korosi pada pipa pelayanan gas atau air yang kontak langsung dengan tulangan beton. Air hujan biasanya hanya berpengaruh sekitar seperlima radius tangki dari sisi luar, akibat kurang sempurnanya sealing . Potongan-potongan kayu yang tertinggal di bawah tangki dan kontak dengan pelat dasar, mempunyai kontribusi dalam proses korosi, karena kayu itu meresap air hujan. Setelah diuraikan berbagai masalah yang ada pada tangki minyak dari baja, berikut ini akan diuraikan beberapa cara pencegahan korosi. Pelat-pelat dasar tangki minyak disambung setelah ditempatkan pada posisi yang direncanakan. Jika ada lapisan cat, maka lapisan cat ini akan terbakar sepanjang sambungan las, sehingga cat tidak efektif lagi. Pemakaian cat setelah pengelasan tidak praktis, bahkan dapat dikatakan tidak mungkin. Oleh karena itu cat biasanya tidak dipakai untuk hal tersebut. Korosi pengaruh tanah dapat dikurangi dengan memberi lapisan yang sangat tahan dan kedap air seperti aspal di atas tanah dasar tangki. Usaha lain yang cukup efektif dapat dilakukan dengan perlindungan katodik, memakai arus listrik atau dengan mengorbankan logam lain sebagai anoda. Untuk mencegah peresapan air hujan dari daerah sekeliling, maka dipakai penutup berm dari bahan yang kedap air, fleksibel, dan anti retak. 1.5.15. Perkembangan Penaggulangan Korosi di Masa Depan Di antara logam struktur, baja adalah yang paling banyak dipakai, tetapi dilain pihak baja juga sebagai bahan yang paling mudah terserang korosi. Untunglah perkembangan ilmu bahan dan teknologi penang-gulangan korosi telah membuat korosi dapat dikendalikan dengan biaya yang relatif murah. Pada dasarnya terdapat lima macam pendekatan untuk mencegah korosi pada baja. Pemakaian lapis pelindung, pengaturan lingkungan, perlindungan katodik, peningkatan perancangan, dan modifikasi mutu baja. Suatu sistem penanggulangan korosi yang baik tidak hanya efektif, tetapi juga mudah fabrikasinya, dapat diandalkan, ekonomis baik pelaksanaan maupun pemeliharaannya. Dari berbagai faktor ini, kemudahan pemeliharaan seringkali kurang diperhatikan pada saat pelaksanaan. Suatu contoh, pemeliharaan struktur lepas pantai, pemeriksaan lapis pelindung pada bagian percikan, pelepasan lapis pelindung yang retak, persiapan permukaan baja, pemasangan lapisan baru pada lautan terbuka mudah. Hal ini perlu difikirkan pada saat permulaan. Sekarang ini semakin banyak struktur baja diperengkapi dengan sistem pencegah korosi yang baik, dan cara pemeliharaan yang mudah. Sekalipun demikian masih ada juga struktur baja yang mengalami korosi, biasanya penyebabnya bukanlah pertimbangan teknologi, tetapi pertimbangan sosial. Dengan kata lain resiko korosi telah disadari, tetapi
27
tidak ada langkah-langkah pencegahan dilakukan, Karena kurangnya dana. Selain itu kasus lain terjadi karena kurangnya pengetahuan tentang cara penanggulangan korosi. Oleh karena itu pengetahuan tentang korosi cukup perlu untuk disebar luaskan.
1.6. Perlindungan Terhadap Api Oleh karena kekuatan struktur turun drastis jika temperature tinggi, maka perlindungan struktur baja terhadap api sangatlah penting. Menurut Muto (1990), perkantoran perlu ketahanan terhadap api selama 1,5 jam untuk bagian struktur di atas permukaan tanah, sedang untuk bagian di bawah tanah dituntut ketahanan selama dua jam. Di Jepang persyaratan ketahanan api ini bervariasi dari 30 menit sampai tiga jam sesuai macam struktur dan lokasinya. Cara pertama untuk melindungi batang struktur baja dari bahaya kebakaran adalah menyelubunginya dengan beton ringan. Pada penyelubungan ini agar beton tidak retak karena muai/susut, maka perlu dipasang tulangan membujur dan sengkang non struktural seperti terlihat pada Gambar 1.31.
Gambar 1.31. Kolom dan balok dilindungi beton ringan Cara kedua untuk melindungi struktur baja dari bahaya kebakaran dilakukan dengan jaringan kawat ayam yang dipasang menyelubungi batang struktur seperti terlihat pada Gambar 1.32.
Gambar 1.32. Kolom dan balok diselubungi mortel ringan
28
Cara ketiga untuk melindungi struktur baja dari bahaya kebakaran dilakukan dengan menutup permukaan baja dengan papan yang terbuat dari asbestos, atau kalsium silikat, atau rockwool. Papan-papan tersebut ditempelkan pada permukaan baja dengan perekat waterglass. Cara ini diperlihatkan pada Gambar 1.33, paku dan kelem untuk digunakan untuk merangkai.
Gambar 1.33. Perlindungan dengan papan Cara perlindungan struktur baja dari bahaya kebakaran yang keempat adalah dengan penyemprotan (spray). Ada dua macam cara penyemprotan, yaitu penyemprotan kering dan penyemprotan basah. Pada penyemprotan kering dipakai bahan kering seperti asbestos, atau rockwool, dan bahan perekat cair yang disemprotkan masing-masing dari nosel yang berbeda dengan udara bertekanan tinggi. Pada cara basah, bahan pelindung dan bahan perekat disemprotkan dalam bentuk tercampur. Dalam kasus tertentu, bahan pelindung ini disemprotkan langsung ke permukaan baja struktural, sedang pada kasus lain, seperti terlihat pada Gambar 1.34, jaringan kawat ayam dipasang terlebih dahulu, kemudian bahan pelindung disemprotkan. Tebal lapis pelindung ini tergantung pada tuntutan ketahanan yang disyaratkan. Tebal minimum untuk lapis pelindung tanpa tulangan adalah 8 mm, sedang untuk pelindung dengan tulangan tebal minimum 15 mm. Pada lapis pelindung dengan tebal lebih dari 35 mm, selain jaringan kawat ayam disarankan agar dipasang jaringan tulangan yang dilas (weldmesh).
Gambar 1.35. Perlindungan dengan bahan semprotan
29
Daftar Pustaka Badan Stadardisasi Nasional, 2002, Tata Cara Perencanaan Struktur Baja Untuk Bangunan Gedung, SNI – 03-1729-2002, Litbang Teknologi Permukiman, Bandung. Brockenbrough, R.L., and Johnston, B.G., 1981, Steel Design Manual, United Steel Corporation, Pitsburg. Matsushima, I. and Tamada, A., 1989, Corrosion Protection of Steel Structures, Japan Iron and Steel Exporters Assosiation, Tokyo. Morisco, 1986, Inelastic Behaviour of Steel Beam Columns, Ph.D. Thesis, City University, London. Muto, Y., 1990, High Rise Steel Structures in Singapore and Neighbouring Countries, Nippon Steel Corporation, Singapore. Okamoto, K., Corrosion of Underground Pipeline and Cathodic Protection, Nakagawa Corrosion Protecting Company Ltd., Tokyo. The Kozai Club, 1983, Steel Construction Guidebook – Civil Engineering, , Tokyo
30
