ANALISIS PERKUATAN GESER LUAR PADA BALOK BETON BERTULANG YANG MENGGUNAKAN FIBER REINFORCED POLYMER ( FRP )
TUGAS AKHIR SEBAGAI SALAH SATU SYARAT UNTUK MENYELESAIKAN PENDIDIKAN SARJANA TEKNIK DI PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL
Disusun Oleh :
Andri Aditia K
Erwin
150 01 066
150 01070
Dosen Pembimbing :
Ir. Iswandi Imran, MASc., Ph.D.
DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN PERENCANAAN INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2005
PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL – DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN PERENCANAAN INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG TUGAS AKHIR
ANALISIS PERKUATAN GESER LUAR PADA BALOK BETON BERTULANG YANG MENGGUNAKAN FIBER REINFORCED POLYMER ( FRP ) Disusun Oleh :
Andri Aditia K
Erwin
150 01 066
150 01 070
Bandung,
Juni 2005
Telah diperiksa dan disetuju oleh: Dosen Pembimbing
Koordinator Kepakaran
Tugas Akhir
Bidang Rekayasa Struktur
Ir. Iswandi Imran, MASc., Ph.D.
Dr. Ir. Bambang Budiono, ME
NIP : 132.149.433
NIP : 130.812.293
ii
Abstract
ABSTRAK Selama beberapa decade terakhir ini, dalam dunia teknik sipil telah berkembang material baru yaitu fiber yang dipergunakan sebagai bahan perkuatan bagi strukturstruktur eksisting. Keuntungan dari material fiber ini ialah tahan terhadap korosi, ringan, dan mudah dikerjakan di tempat yang sempit dan sulit. Laporan tugas akhir ini akan meninjau Fiber Reinforced Polymer (FRP) sebagai bahan perkuatan geser pada balok. Peninjauan kuat geser FRP ini dilakukan terhadap berbagai skema lilitan (2-sided, u-wrapped, dan completely wrapped) baik yang diangkur maupun tidak. FRP yang diangkur dimaksudkan untuk mencegah kegagalan debonding yang prematur. Kuat geser FRP yang diperoleh dari hasil eksperimental akan dibandingkan dengan kuat geser yang diperoleh dari hasil perhitungan yang menggunakan rumusan ACI yang berdasarkan pada teori 45o dan program Response 2000 yang berdasarkan Modified Compression Field Theory (MCFT). Beberapa database penelitian yang dikumpulkan pada tugas akhir ini ditinjau dari berbagai variasi parameter antara lain penggunaan sistem angkur, berbagai skema lilitan, dan ratio FRP (ρf) yang berbeda. Hasil analisis menunjukkan bahwa kondisi FRP yang diangkur dapat dimodelkan sebagai kondisi dengan skema lilitan completely wrapped. Hasil lain yang diperoleh ialah bahwa analisis dengan menggunakan Response 2000 akan memberikan hasil kuat geser FRP yang lebih tinggi dibandingkan dengan hasil perhitungan kuat geser rumusan ACI. Di samping itu, peningkatan jumlah ratio FRP (ρf) yang digunakan mungkin tidak akan menghasilkan peningkatan kuat geser yang proporsional. Kata kunci : FRP, perkuatan geser, debonding, teori MCFT, program Response 2000, angkur, rasio FRP, peningkatan kuat geser, optimum
iii
Abstract
ABSTRACT A new material, fiber has been increasingly used as a strengthening material for existing structures during this few decades. Corrosion resistance, light-weight, and easy installation are some advantages offered by Fiber Reinforcement Polymer (FRP) over some traditional strengthening techniques such as external post-tensioned, section enlargement etc. This final report will discuss FRP as a shear strengthening material. The discussion will involve various shear strengthening scheme ( 2-sided, u-wrapped, and completely wrapped ) with or without anchorage system to avoid the fiber from premature debonding. Comparison among shear strength contributed by FRP obtained from experimental data, output analysis from Response 2000 programme ( which basis is Modified Compression Field Theory) ,and calculation from ACI formulae ( which basis is 45o truss analogy theory) will be made. Some experimental database have been collected with various test variables such as the using of anchorage system, different scheme of wrap, and various FRP ratio (ρf). The analysis performed shows that 2-sided and u-wrapped FRP scheme using anchorage system could be modeled as completely wrapped. Another result indicates that output analysis using Response 2000 programme gives higher value compared to calculation obtained from ACI formulae. Finally, as far as the FRP ratio is concerned, the gain in FRP ratio may not result in a proportional increase in shear strength. Keywords : FRP, shear strengthening, debonding, Modified Compression Field Theory, Response 2000 programme, anchorage system, optimum.
iii iv
Daftar Isi
Daftar Isi LEMBAR PENGESAHAN ................................................................................................ ii ABSTRAK ........................................................................................................................... iii KATA PENGANTAR ......................................................................................................... v DAFTAR ISI ....................................................................................................................... vii DAFTAR TABEL ............................................................................................................... ix DAFTAR GAMBAR ........................................................................................................... x DAFTAR GRAFIK ............................................................................................................. xii DAFTAR LAMPIRAN ....................................................................................................... xiii BAB I 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
PENDAHULUAN Latar Belakang Tugas Akhir..................................................................................... Tujuan Tugas Akhir.................................................................................................. Ruang Lingkup Studi................................................................................................ Metodologi Penulisan .............................................................................................. Sistematika Penulisan...............................................................................................
BAB II DASAR TEORI 2.1 Mekanisme Transfer Geser....................................................................................... 2.1.1 Tegangan Geser yang Terjadi Pada Balok Elastis Yang Belum Retak......... 2.1.2 Tegangan Geser rata – rata diantara Dua Bidang Retak Balok..................... 2.1.3 Aksi Balok dan Aksi Lengkung Pada Balok................................................. 2.2 Perkembangan Teori Geser...................................................................................... 2.3 Perkembangan Rumusan Untuk Memprediksi Kontribusi FRP Terhadap Kekuatan Geser.........................................................................................................
1 4 4 6 7 9 9 10 11 13 21
BAB III PENYAJIAN DATA 3.1 Data Percobaan Mujiman ( 2004 )………………………………………………… 26 3.1.1 Parameter Pengujian ………………………………………………………. 26 3.1.2 Benda Uji………………………………………………………………….. 31 3.1.3 Kode Benda Uji……………………………………………………………. 32 3.1.4 Hasil Pengujian percobaan Mujiman ( 2004 )…………………………….. 33 3.2 Data Percobaan Partogi ( 2002 ).............................................................................. 34 3.2.1 Parameter Pengujian ..................................................................................... 34 3.2.2 Benda Uji...................................................................................................... 35 3.2.3 Kode Benda Uji............................................................................................. 36 3.2.4 Hasil Pengujian percobaan Partogi ( 2002 ).................................................. 40 3.3 Data Percobaan Ashraff,et.al ( 2004 )……………………………………………... 41 3.3.1 Parameter Pengujian ..................................................................................... 41 3.3.2 Benda Uji....................................................................................................... 41 3.3.3 Kode Benda Uji.............................................................................................. 42 3.3.4 Hasil Pengujian percobaan Ashraff,et.al ( 2004 )………………………….. 43
vii
Daftar Isi
3.4
3.5
Data Percobaan Khalifa & Nanni ( 2002 )................................................................ 44 3.4.1 Parameter Pengujian .................................................................................... 44 3.4.2 Benda Uji ...................................................................................................... 45 3.4.3 Kode Benda Uji............................................................................................. 46 3.4.4 Hasil Pengujian percobaan Khalifa & Nanni ( 2002 ).................................. 49 Resume Data Percobaan…………………………………………………………... 49
BAB IV ANALISIS DATA 4.1 Analisis Data Hasil Percobaan Mujiman ( 2004 )………………………………… 4.1.1 Perbandingan Kuat Geser FRP Perhitungan ACI vs Hasil Eksperimental.. 4.1.2 Perbandingan Kuat Geser FRP Hasil Perhitungan ACI, MCFT ( Response 2000 ), dan Eksperimental.............................................. 4.1.2.1 Perhitungan ACI............................................................................ 4.1.2.2 Hasil Analisis Response 2000 dengan Teori MCFT..................... 4.1.2.3 Hasil Eksperimental...................................................................... 4.2 Percobaan Partogi ( 2002 )....................................................................................... 4.2.1 Perbandingan Kuat Geser FRP Perhitungan ACI vs Hasil Eksperimental... 4.2.2 Perbandingan Kuat Geser FRP Hasil Perhitungan ACI, MCFT ( Response 2000 ), dan Eksperimental............................................. 4.2.2.1 Perhitungan ACI............................................................................ 4.2.2.2 Hasil Analisis Response 2000 dengan Teori MCFT..................... 4.2.2.3 Hasil Eksperimental...................................................................... 4.3 Percobaan Ashraff,et.al ( 2004 )............................................................................... 4.3.1 Perbandingan Kuat Geser FRP Perhitungan ACI vs Hasil Eksperimental... 4.3.2 Perbandingan Kuat Geser FRP Hasil Perhitungan ACI, MCFT ( Response 2000 ), dan Eksperimental............................................. 4.3.2.1 Perhitungan ACI............................................................................ 4.3.2.2 Hasil Analisis Response 2000 dengan Teori MCFT..................... 4.3.2.3 Hasil Eksperimental...................................................................... 4.4 Percobaan Ahmed Khalifa dan Antonio Nanni ( 2002 ).......................................... 4.4.1 Perbandingan Kuat Geser FRP Perhitungan ACI vs Hasil Eksperimental... 4.4.2 Perbandingan Kuat Geser FRP Hasil Perhitungan ACI, MCFT ( Response 2000 ), dan Eksperimental............................................. 4.4.2.1 Perhitungan ACI............................................................................ 4.4.2.2 Hasil Analisis Response 2000 dengan Teori MCFT..................... 4.4.2.3 Hasil Eksperimental...................................................................... 4.5 Analisis Perbandingan Kenaikan Axial Rigidity dengan Peningkatan Kuat Geser
52 52 55 55 57 60 61 61 63 63 65 69 71 71 73 73 75 78 80 80 81 81 82 86 88
BAB V KESIMPILAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan....... ....................................................................................................... 91 5.2 Saran.. .............. ....................................................................................................... 92 DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................................... 94
viii
BAB V Kesimpulan dan Saran
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 KESIMPULAN •
Kontribusi perkuatan geser yang direkomondasikan oleh ACI Committee 440 masih cenderung konservatif dibandingkan dengan data hasil – hasil percobaan yang telah dilakukan. Hal ini dikarenakan banyaknya faktor ketidakpastian dalam menentukan kontribusi kuat geser yang disumbangkan oleh FRP.
•
Penggunaan rumusan perkuatan geser yang disumbangkan oleh FRP dengan skema lilitan completely wrapped yang direkomondasikan oleh ACI Committee 440 dapat digunakan sebagi model pendekatan untuk pemasangan FRP pada balok sebagai perkuatan geser dengan cara diangkur pada ujungnya ( baik menggunakan angkur coakan maupun angkur tertanam ). Hal ini dikarenakan
pada percobaan yang dilakukan Mujiman ( 2004 )
menunjukan bahwa lembaran FRP yang diangkur memiliki kapasitas geser yang lebih tinggi dibandingkan penggunaan lembaran FRP yang tidak diangkur. Dengan adanya angkur yang dipasang pada ujung lekatan FRP dengan balok beton, maka kegagalan prematur FRP yang disebabkan oleh debonding dapat dicegah. •
Secara umum, program Response 2000 dapat digunakan sebagai salah satu alat untuk menganalisis perilaku geser pada balok ataupun memprediksi kuat geser ultimit balok.
•
Program Response 2000 tidak dapat digunakan untuk menentukan kuat geser ultimit balok yang diperkuat FRP (Fiber Reinforced Polymer) dengan skema lilitan strip dan u-wrapped. Hal ini disebabkan karena program Response 2000 tidak dapat mengakomodasi keruntuhan geser yang disebabkan akibat debonding (lepasnya rekatan antara fiber dengan material beton pada balok)
Analisis Perkuatan Geser Luar Pada Balok Beton Bertulang yang Menggunakan Fiber Reinforced Polymer ( FRP )
91
BAB V Kesimpulan dan Saran
•
Program Response 2000 dapat digunakan sebagai alat untuk memprediksi kuat geser ultimit balok yang dipekuat FRP dengan skema lilitan strip dan u-wrapped jika dilakukan modifikasi pemodelan. Salah satu cara pemodelannya ialah dengan menggunakan pendekatan “kesamaan volume tegangan” (lihat Lampiran A), yaitu dengan menggunakan luasan “kaki” transformasi
untuk mengakomodasi adanya panjang lekatan aktif (Le)
dimana fiber tidak mampu memobilisasi seluruh tegangan efektifnya. •
Secara umum, kuat geser hasil analisis dengan menggunakan teori 450 (ACI) menunjukkan hasil yang lebih konservatif dibandingkan dengan kuat geser hasil analisis Response 2000 (teori Modified Compression Field Theory). Hal ini disebabkan karena : o Teori MCFT memperhitungkan tegangan tarik beton setelah terjadinya retak. o Rumusan yang digunakan dalam ACI mengasumsikan bahwa retak terbentuk dengan sudut 450 terhadap sumbu longitudinal balok. Asumsi ini sangat konservatif, mengingat sesungguhnya sudut yang terjadi umumnya lebih kecil dari 450.
•
Pada penelitian Khalifa dan Nanni, didapatkan bahwa peningkatan jumlah pemakaian FRP mungkin tidak akan menghasilkan peningkatan kuat geser yang proporsional. Hal ini menunjukkan adanya suatu batasan pemakaian optimum FRP yang akan memberikan hasil yang ekonomis.
5.2 SARAN •
Beberapa pengembangan yang dapat dilakukan pada program Response 2000 antara lain : -
pengguna program bisa memasukkan bilangan desimal pada luasan “kaki” penulangan arah transversal.
-
Mengakomodasi penggunaan rumusan perkuatan geser FRP pada balok
dengan
menggunakan
dasar
teori
MCFT
(Modified
Compression Field Theory) Analisis Perkuatan Geser Luar Pada Balok Beton Bertulang yang Menggunakan Fiber Reinforced Polymer ( FRP )
92
BAB V Kesimpulan dan Saran
•
Penelitian mengenai perbandingan efektivitas penggunaan angkur coakan maupun angkur tertanam masih perlu dilakukan untuk melengkapi data base uji kuat geser balok yang diberi perkuatan FRP.
•
Pengujian laboratorium untuk perkuatan geser pada balok dengan dimensi h yang tinggi yang diberi perkuatan FRP perlu dilakukan untuk meninjau perbandingan efektivitas pemberian perkuatan FRP pada balok tinggi dan balok “rendah”. Hal ini didasarkan pada rumusan ACI Committee 440 yang memperhitungkan faktor skema lilitan ,k2 . εfe = κv εfu < 0.004
κv = k2 = k2 =
•
k 1 k 2 Le ≤ 0.75 11900 * ε fu d f − Le df d f − 2 Le df
untuk kondisi U-wrapped
untuk kondisi Strip
Eksperimen - eksperimen yang memperhitungkan parameter efektivitas peningkatan jumlah penggunaan FRP dibandingkan terhadap peningkatan kuat geser yang akan dihasilkan masih perlu dilakukan untuk mendapatkan suatu batasan optimum yang ekonomis dalam pemasangan perkuatan geser balok dengan material fiber.
Analisis Perkuatan Geser Luar Pada Balok Beton Bertulang yang Menggunakan Fiber Reinforced Polymer ( FRP )
93
Daftar Pustaka
Daftar Pustaka
ACI Committee 440, “Guide for The Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures “, 2002 Adhikary B.B, Mutsuyoshi, H., Ashraff,M., “Shear strengthening of Reinforced Concrete Beams Using Fiber-ReinforcedbPolymer Sheets wiyh Bonded Anchorage”,
ACI
Structural Journal 2004 Bousselham, A., Chaallal, O., “ Shear Strengthening Reinforced Concrete Beams with Fiber-Reinforced Polymer : Assessment of Influencing Parameters and Required Research”, ACI Structural Journal 2004 Chen, J.F., Teng, J.G., “ Shear capacity of Fiber-Reinforced Polymer-Strengthened Reinforced Concrete Beams : Fiber Reinforced Polymer Rupture”, Journal of Structural Engineering ASCE 2003 Collins, M.P., Mitchell, D., ”Prestressed Concrete Structures”, Prentice Hall 1987 Khalifa,A., Gold,W.J., Nanni,A., Azis,A., “Contribution of Externally Bonded FRP to Shear Capacity of Flexural Members”, Journal of Composite for Construction 1998 Khalifa,A., Alkhardji,T., Nanni,A., Lansburg S., “Anchorage of Surface Mounted FRP Reinforcement “, Concrete International : Design and Construction 1999 Khalifa,A., Nanni,A., “ Rehabilitation of Rectangular Simply Supported RC Beams With Shear Deficiencies Using CFRP Composites”, Constructions and Building Materials, Vol. 16, No 3 2002 MacGregor, J.G., “Reinforced Concrete Mechanics and Design “, Prentice-Hall 1997 94
Daftar Pustaka
Mujiman, Imran I., “Studi Eksperimental Perkuatan Geser Balok Lentur Menggunakan FRP yang Kedua Ujungnya Diangkur”, ITB 2004 Proceedings
of
The
Third
International
Symposium
on
Non-Metalic
(FRP)
Reinforcement for Concrete Structures, Japan Concrete Institute, 1997 Simatupang, P.H, “Studi eksperimental perkuatan geser balok lentur yang diperkuat kevlar dengan metode perkuatan luar”, ITB 2002
95
