TINJAUAN KEKAKUAN PADA KOLOM RETROFIT DENGAN PENGEKANGAN CARBON WRAPPING Oleh : Edy Purwanto1), Rudi Setiadji A2) ABSTRAKSI / ABSTRACT Metode pengekangan pada permukaan kolom merupakan salah satu usaha untuk meningkatkan kemampuan dan kekakuan kolom tersebut. Kekakuan kolom diperlukan untuk membatasi defleksi lateral struktur. Retakan yang terjadi pada kolom yang rusak mengurangi nilai kekakuan sehingga diperlukan adanya confinement untuk memperlambat perluasan retak yang bisa menimbulkan kehancuran kolom pada beban yang lebih tinggi. Hasil pengujian pada benda uji kolom menunjukkan bahwa kekakuan KPR pada tahap uncrackec lebih rendah, tetapi mempunyai nilai beban retak pertama lebih besar. Kekakuar KPR pada tahap cracked mengalami peningkatan hingga lebih dari tiga kali lipat nilai kekakuan KN, tetapi terdapat nilai beban leleh yang lebih rendah Confinement method of column surface represent one of the effort to increase capacity and stiffness of column. Column’s stiffnes is used to restrict lateral deflection of structure. Crack at damaged column decrease it’s stiffnes so that it needs an existence of confinement to slow down crack extension which can generate ruination of structure at higher level load. Result of this experiment indicates that stiffnes of uncracked phase is lower but it has bigger initial crack load value. Stiffnes at carcked phase experiences a stiffness three times as value as stiffness of KN, but it has a lower yield load. Keywords : confinement, crack, stiffness, increase. 1
1) 2)
Dosen Jur. Teknik Sipil FT UNS Alumni Jur. Teknik Sipil FT UNS
1
dideteksi. Tegangan berlebihan yang
PENDAHULUAN
timbul Kerusakan dapat
disebabkan
manusia.
Faktor
struktur oleh
bangunan alam
alam
dan
mempunyai
kontribusi melalui perubahan cuaca,
pada
kolom
bangunan
menghasilkan pola retak, kehancuran bagian kolom secara lokal, bahkan keruntuhan
seluruh
struktur
(total
collapse).
proses abrasi, kebakaran, dan gempa
Bangunan
yang
mengalami
bumi. Faktor manusia memberikan
kerusakan bisa dengan mudah diganti
pengaruh
perhitungan
dengan bangunan baru, tetapi pada
beban rencana yang tidak tepat oleh
situasi bangunan yang rusak banyak
perancang
jumlahnya dan biaya penggantiannya
kekuatan
pada
proses
bangunan,
kelebihan
sangat tinggi tidak memberi pilihan
penambahan air dalam mix design,
selain perbaikan. Perbaikan kerusakan
dimensi elemen struktur yang berkurang
dapat
akibat kesalahan pemasangan bekisting
bangunan seperti semula, tetapi untuk
ataupun tulangan, dan pembebanan
menghindari terjadi kembali kerusakan
yang melebihi beban rencana oleh
dengan penyebab yang sama diperlukan
pengguna
peningkatan
bangunan
beton
berkurangnya
karena
bangunan. akibat
Kerusakan
kelebihan
mengembalikan
kemampuan
kemampuan
struktur
beban
(retrofit). Kerusakan bangunan selain
biasanya terlihat jelas dan mudah
total collapse dapat diperbaiki dengan
2
berbagai teknik, misalnya pengisian
material dan teknologi yang tersedia.
retak dengan epoxy injection grouting,
Perbaikan
elemen
perbaikan bagian yang hancur dengan
perkuatan
eksternal
polymer/epoxy mortars, dan pemberian
bertulang
kurungan (confinement) bagian yang
menghasilkan pertambahan beban dan
rusak untuk meningkatkan kekuatan
pertambahan dimensi yang cukup besar
dengan
sehingga
steel
encasing,
concrete
di
struktur
dengan
lapisan
sekeliling
beton
penampang
mengganggu
arsitektural
encasing, atau fiber wrap encasing.
bangunan. Situasi tersebut menjadi
Analisa tingkat kerusakan dilakukan
pertimbangan
dahulu
perbaikan dengan
untuk
perbaikan.
pemilihan
Menurut
metode
Thermou
dan
untuk
melakukan
fiber wrapping
sebagai bahan perkuatan yang relatif
Elnashai (Bai, 2003) terdapat beberapa
ringan,
faktor yang mempengaruhi pemilihan
mempunyai
teknik perbaikan, yaitu : perbandingan
terhadap korosi, dan hanya sedikit
biaya terhadap keutamaan struktur,
menambah dimensi kolom.
ketersediaan tenaga kerja, jangka waktu
mudah
Hampir
dalam
kekuatan
semua
pemasangan, besar,
kolom
tahan
pada
pekerjaan, fungsi dan estetika bangunan
struktur beton mengalami gaya fleksural
yang
disamping
ada,
kekuatan, pondasi
kecukupan
dan yang
daktilitas, masih
kekakuan,
gaya
tekan.
Hal
ini
kapasitas
disebabkan letak beban yang tidak
mencukupi,
berada di pusat penampang kolom, atau
3
disebabkan kolom menahan sebagian
tanpa perkuatan. Retakan yang terjadi
dari momen pada ujung balok yang
pada kolom yang rusak mengurangi
ditopangnya. Selain defleksi vertikal
nilai kekakuan dan diperlukan adanya
balok, defleksi lateral rangka struktur
confinement
harus menjadi pertimbangan dalam
perluasan retak yang bisa menimbulkan
perencanaan struktur rangka beton.
kehancuran penampang beton pada
Defleksi lateral harus dibatasi untuk
tahap
mencegah perasaan tidak nyaman bagi
sehingga diperkirakan carbon fiber
pengguna bangunan, kerusakan pada
wrapping
partisi, atau efek P- yang berbanding
kekakuan kolom perbaikan.
terbalik
LANDASAN TEORI
dengan
kekakuan
lateral.
Defleksi lateral rangka dipengaruhi oleh kekakuan
semua
elemen
penyusun
pembebanan
akan
memperlambat
yang
mampu
tinggi,
menambah
Peningkatan Kapasitas Struktur Peningkatan (retrofit)
struktur termasuk kolom.
untuk
pada
kapasitas umumnya
struktur dapat
Berdasarkan jenis serat perkuatan
dilakukan dengan dua metode. Metode
yang ada, carbon fiber mempunyai
pertama adalah structure-level retrofit
kekuatan dan kekakuan yang terbesar.
yang meliputi modifikasi menyeluruh
Penelitian sebelumnya
terhadap sistem struktural. Modifikasi
menunjukkan
peningkatan kekakuan kolom dengan
tersebut
dapat
berupa
penambahan
carbon fiber wrap dibanding kolom
dinding struktural atau steel braces.
4
Penambahan dinding struktural atau
penambahan concrete jacket atau FRP
perbaikan dinding geser yang sudah ada
jacket pada kolom yang berfungsi
efektif
lateral
sebagai confinement. Perbaikan ini lebih
bangunan dan mengurangi kerusakan
efektif dari segi biaya karena hanya
elemen struktur. Biaya dan waktu dapat
komponen
dikurangi dengan pemakaian shotcrete
ditingkatkan kemampuannya. Perkuatan
atau precast panels. Pemasangan steel
kolom dengan FRP jacket bertujuan
bracing efektif meningkatkan kekuatan
untuk meningkatkan kapasitas geser,
dan kekakuan keseluruhan bangunan.
daktilitas,
Pondasi mungkin mendapat tambahan
akibat lentur. Pemasangan yang mudah,
beban pada lokasi bracing sehingga
rasio kekuatan terhadap berat yang
pondasi tersebut masih perlu dievaluasi
besar, dan ketahanan terhadap korosi
kembali. Sambungan terhadap rangka
menjadi pilihan utama untuk perbaikan
beton
walaupun harga FRP cukup mahal.
mengontrol
dapat
defleksi
menjadi
bagian
yang
berbahaya selama pembebanan terutama saat gempa. Metode retrofit kedua adalah
member-level
retrofit
yang
meliputi peningkatan daktilitas elemen struktur lokal hingga mencapai batas ijin.
Peningkatan
tersebut
tertentu
dan
saja
kapasitas
yang
deformasi
Kekakuan Kolom Kolom yang diberi beban titik p secara
eksentris,
akan
mengalami
momen pada dasar kolom sebesar : M = p.e
(1)
melalui
5
Kolom mengalami defleksi sebesar
kolom diperlukan berhubungan dengan
saat beban titik p bekerja, untuk
masalah kekuatan kolom.
kesetimbangan gaya internal, momen
Perencana
struktur
harus
memperhatikan faktor kekakuan untuk
pada dasar kolom menjadi : M = p(e+Δ)
(2)
pembatasan defleksi yang terjadi dan tidak hanya memperhitungkan kekuatan semua komponen struktur agar mampu menahan beban layan dalam kondisi elastis. Beton bertulang diperbolehkan mengalami retak, tidak terjadi leleh pada baja tulangan (dapat menyebabkan retakan lebih lebar), dan beton tidak
Gambar 1. Pembebanan Eksentris
hancur. Keruntuhan struktur daktail
Kolom
dianggap mulai terjadi setelah tulangan tarik leleh, sehingga pada pembebanan
Kekakuan menunjukkan kemampuan untuk mengalami defleksi seminimal mungkin.
Besarnya
defleksi
akan
meningkatkan nilai momen kolom yang harus
didesain,
sehingga
kekakuan
setelah leleh faktor daktilitas lebih berperan dibanding kekakuan karena berfungsi sebagai cadangan kapasitas defleksi pada kondisi beban yang berlebihan.
6
Defleksi kolom akibat beban titik
beton
bertulang
karena
harus
statis eksentris pada Gambar 1 dapat
mempertimbangkan pengaruh retakan
dihitung dengan persamaan :
dan kontribusi beton terhadap tegangan
p.eL2
Δ
tarik (Paulay, 1992). Hubungan antara (3)
2 EI
beban dengan defleksi elemen beton
dimana : p=beban titik statis eksentris,
bertulang dapat diidealisasikan menjadi
e=eksentrisitas beban, L=tinggi kolom,
bentuk trilinier dari tahap sebelum
E=modulus
retak, setelah retak, dan setelah tulangan
elastisitas
material,
I=momen inersia penampang kolom.
tarik
Nilai
rumus
pembebanan dengan hubungan linier
defleksi yang ada didapatkan dari
dari awal hingga runtuh meliputi tahap
persamaan berikut :
berikut :
kekakuan
berdasarkan
K K
p Δ
(4)
2 EI eL2
(5)
elemen
pada dan
ukuran
modulus
(Nawy,
1990).
Tahap
1. Tahap uncracked, pada daerah ini hubungan beban dan defleksi linier
Kekakuan lentur pada awalnya tergantung
leleh
geometri elastisitas
materialnya. Hubungan tersebut tidak berlaku secara sederhana pada struktur
elastis hingga beban retak pertama (Pcrack). Retak pertama terjadi saat tegangan tarik melebihi kekuatan tarik beton. Besarnya kekakuan tahap ini sebesar kemiringan kurva yang dihitung dengan rumus :
7
K
Pcrack d crack
(6)
Kemiringan penurunan
kurva lebih
2. Tahap cracked, terjadi setelah Pcrack
tegangan
tekan
dimana retakan mulai terbentuk dan
maksimal
pada
kontribusi kekuatan tarik beton tidak
(Ppeak).
ada. Akibat hal tersebut kekakuan
mengalami
cepat beton
sampai mencapai
beban
puncak
4. Tahap post peak, dari titik Ppeak
berkurang hingga kondisi tulangan
regangan
tarik leleh pada nilai beban leleh
bertambah hingga akhirnya beton
(Pyield). Selama tahap ini, baja
daerah tekan hancur dan terkelupas
tulangan mulai kehilangan kekuatan
pada saat beban runtuh (Pfailure)
lekat dan retakan bertambah banyak.
tercapai.
beton
daerah
tekan
Nilai kekakuan tahap ini dihitung melalui persamaan :
K
Pyield Pcrack d yield d crack
(7)
3. Tahap post yield, terjadi setelah titik Pyield dimana tulangan tarik mulai mengalami regangan leleh pada nilai tegangan leleh tulangan yang tetap.
Gambar 2. Kurva Beban- defleksi (P-) Elemen Struktur Daktail
8
Tabel 1. Kode nama sampel
METODOLOGI PENELITIAN Benda Uji Benda
uji
Silinder Beton
yang
digunakan
dalam
penelitian ini ada dua macam, yaitu berupa
silinder
dan
kolom.
Jenis
silinder ada dua buah, yaitu silinder normal dan silinder terkekang, sedang kolom yang dipakai adalah kolom yang telah
rusak
karena
pengujian
Kode SN-1 SN-2 SN-3 SW-1 SW-2 SW-3 SW-4
Jmla 1h 1 1 1 1 1 1
Kolom Beton Bertulang Kode KN-1 KN-2 KN-3 KPR-1 KPR-2 KPR-3
Jml 1 ah 1 1 1 1 1
dan
diperkuat
dengan
S = silinder N = normal W = wrapping satu lapis CFRP KN = kolom normal KPR = perbaikan dan
sebelumnya, selanjutnya kolom tersebut diperbaiki
Keterangan
retrofit
Tahapan dan Prosedur Pengujian
memakai bahan carbon fiber berupa
Benda Uji Kolom
CFRP-Wrapping yang dipasang dalam
Semua benda uji yang telah diperbaiki
arah transversal sebanyak satu lapis.
dan diperkuat dengan bahan carbon wrapping, setelah berumur 28 hari kemudian di-set-up pada loading frame dan
diberi
beban
secara
eksentris
dengan eksentrisitas sebesar 120 mm. Pembebanan dilakukan secara bertahap dengan interval kenaikan beban sebesar
9
150 kg. Pembebanan dilakukan sampai benda uji mengalami keruntuhan yang direncanakan dengan indikasi beban telah
melewati
beban
maksimum
kemudian turun sebesar 20 % dari beban
maksimum
pembebanan
tersebut.
dilakukan
Selama
pengamatan
besarnya lendutan yang terjadi diujung atas benda uji kolom yang sebelumnya telah
dipasang
dilakukan
dial
gauge,
pengamatan
juga
terhadap
munculnya retak pada permukaan benda
Gambar 2. Set-up alat dan benda uji
uji dan diukur lebar retaknya. Dari data beban
dan
lendutan
yang
ada
selanjutnya dibuat grafik hubungan antara
besarnya beban dan lendutan
untuk mengetahui kondisi
beban dan
lendutan pada saat leleh, maksimum dan saat runtuh.
Hasil Penelitian dan Pembahasan Dari data beban dan lendutan yang didapat pada pengujian benda uji kolom selanjutnya dibuatkan grafik hubungan beban lendutan seperti Selanjutnya
dari
gambar 3-5.
gambar
tersebut
diambil data-data beban dan lendutan
10
pada kondisi yang diinginkan saeperti
Beban (Kg) 14000
yang terangkum pada Tabel 2. Sedang
KN-2
KPR-2
12000 10000
nilai
kekakuannya
dihitung
dan
8000 6000
ditabelkan pada Tabel 3.
4000 2000
Beban (Kg)
0
14000
KN-1
KPR-1
0
5
10
15
20
25
30
Defleksi (mm)
12000 10000
Gambar 4. Grafik hubungan beban-lendutan KN-2
8000
dan KPR-5
6000 4000
Beban (Kg)
2000
10000
KN-3
0 0
5
10
15
20
KPR-3
25
Defleksi (mm)
8000 6000
Gambar 3. Grafik hubungan beban-lendutan KN-1 4000
dan KPR-1 2000
0 0
5
10
15
20
25
30
Defleksi (mm)
Gambar 5. Grafik hubungan beban-lendutan KN3dan KPR-3
11
Tabel 2. Beban dan Defleksi Kolom Normal Kode Sampel
Retak
Tulangan Tarik
Kapasitas
Kolom
Pertama
Leleh
Puncak
Runtuh
Pcrack
dcrack
Pyield
dyield
Ppeak
dpeak
Pfailure
dfailure
(kg)
(mm)
(kg)
(mm)
(kg)
(mm)
(kg)
(mm)
0,88 1,39 1,25 1,17 5,19 2,38 2,07 3,21
6750 7250 7750 7250 6666,67 11076,92 4444,44 7396,01
20,20 22,96 24,05 22,40 17,54 20,93 26,91 21,79
6000 7000 7250 6750 10000 10000 4750 8250
21,50 24,10 26,10 23,90 22,86 26,32 28,52 25,90
KN-1 KN-2 KN-3 ratarata KPR-1 KPR-2
750 1250 1250 1083,33 2380,95 1176,47 KPR-3 588,24 rata-rata 1381,89
18,95 7250 19,30 8250 21,33 8750 19,86 8083,33 9,22 11750 16,46 11750 10,75 6000 12,14 9833,33
Tabel 3. Hasil Perhitungan Kekakuan Kolom Kode Sampel
Tahap uncracked Pcrack dcrack K
KN-1 KN-2 KN-3
(kg) (mm) (kg/mm) 750,00 0,88 852,27 1250,00 1,39 899,28 1250,00 1,25 1000,00
KPR-1 KPR-2 KPR-3
2380,95 1176,47 588,24
5,19 2,38 2,07
Tahap cracked Pyield dyield K (kg) (mm) (kg/mm) 6750,00 18,95 332,04 7250,00 19,30 335,01 7750,00 21,33 323,71
458,76 6666,67 494,32 11076,92 284,17 4444,44
9,22 1063,45 16,46 1431,54 10,75 444,26
12
Tabel 4. Perbandingan Nilai Rata-rata Kekakuan Tahap uncracked Pcrack dcrack K
Kode Sampel
(kg) 1083,33 1381,89 1,28
KN KPR Rasio
Tahap cracked Pyield dyield K
(mm) (kg/mm) (kg) 1,17 917,18 7250,00 3,21 412,42 7396,01 2,74 0,45 1,02
Dari hasil analisis yang dilakukan
(mm) (kg/mm) 19,86 330,25 12,14 979,75 0,61 2,97
retak sampel KN) menyebabkan nilai
maka bisa diketahui bahwa kekakuan
momen
tahap uncracked semua sampel KPR
sehingga kekakuan berkurang dan setiap
mengalami
penambahan
penurunan
dan
hanya
inersia
penampang
beban
diikuti
kecil,
dengan
bernilai rata-rata 45% dari kekakuan
pertambahan defleksi yang besar. Beban
kolom
penurunan
retak awal KPR meningkat walaupun
tersebut defleksi saat retak pertama
kekakuan turun. Beban retak awal KPR
KPR lebih besar 274% dibanding
naik menjadi 128% dibanding beban
defleksi saat retak pertama sampel KN,
retak awal KN. Pertambahan defleksi
lebar retak awal KPR juga bertambah
yang besar mempercepat pertambahan
22%. Sebagian penampang sepanjang
regangan
aksial
dan
kolom yang sudah banyak mengalami
memicu
peran
CFRP
retak akibat pengujian pada kondisi
Pengaruh CFRP confinement adalah
kolom normal (terlihat jelas dalam pola
memperluas
normal.
Akibat
daerah
lateral
tekan
untuk
wrapping.
dengan
13
menurunkan
letak
garis
netral,
KPR lebih kecil dibanding retak pada
mencapai sebagian daerah yang sudah
KN dan terdapat beberapa retakan KN
retak sehingga mampu meningkatkan
yang tidak terlihat kembali pada pola
nilai beban retak awal. Perluasan daerah
retak KPR. Kenaikan kekakuan tersebut
tekan terlihat dari pola retak yang
mengurangi defleksi KPR saat leleh,
terjadi, dimana pertambahan retakan
defleksi saat leleh KPR berkurang
terjadi secara bertahap dan tidak secara
menjadi
langsung membentuk retakan sepanjang
menjadi 102% setara dengan beban
retakan lama. Sampel KPR mengalami
leleh
kenaikan kekakuan mencapai 297%
kemungkinan
terhadap
kekakuan KN pada tahap
regangan besar akibat defleksi yang
cracked. Modulus elastisitas CFRP
besar saat tahap uncracked, sehingga
yang besar menambah tahanan terhadap
regangan leleh tercapai lebih awal dan
tekanan lateral beton di daerah tekan,
beban leleh yang terjadi tidak mampu
menghambat perluasan retakan yang
melebihi beban leleh sampel KN.
terjadi setelah tegangan tarik kolom melebihi kekuatan tarik beton sehingga kekakuan
meningkat.
Pencegahan
perluasan retakan terlihat dari pola
61%.
Beban
KN.
leleh
Kondisi karena
KPR
tersebut
sudah
terjadi
Kesimpulan Berdasarkan
hasil
analisisi
kekakuan dalam penelitian ini dapat diambil beberapa kesimpulan :
retak, dimana kedalaman jalur retak
14
1.
Perbaikan dengan retrofit kolom
untuk
memakai CFRP wrapping tidak
tekan beton.
meningkatkan kekakuan kolom pada
tahap
pembebanan
uncracked,
2.
3.
meningkatkan
Kekakuan
kolom
kekuatan
perbaikan
dengan retrofit tahap pembebanan
sebaliknya
cracked
naik
menjadi
297%.
kekakuannya turun menjadi 45%.
Kenaikan
nilai
tersebut
Penurunan
kekakuan
tersebut
disebabkan
pengaruh
modulus
disebabkan
banyaknya
retakan
elastisitas CFRP wrapping yang
terdahulu akibat pengujian kolom
besar,
normal.
perluasan retak.
Penurunan
kekakuan
kolom
4.
sehingga
Peningkatan
menghambat
kekakuan
kolom
perbaikan dengan retrofit tahap
perbaikan dengan retrofit tahap
uncracked menyebabkan defleksi
cracked
saat retak pertama lebih besar
defleksi saat tulangan tarik leleh
274% daripada kolom normal,
menjadi 61% dibanding kolom
tetapi nilai beban retak pertama
normal. Beban saat tulangan tarik
mampu meningkat menjadi 128%,
leleh menjadi 102% walaupun
akibat
besar
defleksi saat leleh berkurang,
memicu peran CFRP wrapping
regangan yang sudah besar setelah
regangan
yang
melewati
berhasil
tahap
mengurangi
uncracked
15
menyebabkan
regangan
leleh
tercapai lebih awal.
De Lorenzis, L., 2001, A Comparative Study
of
Models
Confinement
of
Daftar Pustaka
Cylinders
with
Applied Technology Council, 1998,
Composites,
Repair
of
Damaged Masonry
Earthquake
Concrete Wall
and
University
on
Concrete FRP Chalmers
of
Technology,
Goteborg.
Buildings,
Harries, K. A., & Carey, S. A., 2002,
FEMA 308 Report, Federal
Shape and Gap Effect on the
Emergency
Behavior oj Variably Confined
Management
Agency, Redwood City.
Concrete,
Bai, J. W., 2003, Seismic Retrofit for Reinforced Concrete Building Structures, Based
Consequence-
Engineering
(CBE)
Institute Final Report, MidAmerica Earthquake Center,
Cement
and
Concrete Research, Elseviel Science Ltd. Lam, L., & Teng , J.,G.,., 2003, Designoriented Stress-strain Model for FRP confined Concrete in Rectangular Columns, Journal of Reinforced Plastics and Composites, Sage Publication.
Texas. .
16
