PENGARUH KONFIGURASI WRAPPING FIBER REINFORCED POLIMER (FRP) TERHADAP KINERJA HASIL RETROFIT BALOK PIPA BAJA

PENGARUH KONFIGURASI WRAPPING FIBER REINFORCED POLIMER (FRP) TERHADAP KINERJA HASIL RETROFIT BALOK PIPA BAJA Wiryanto Dewobroto1, Lanny Hidayat2 , Thomas Wijaya3 1,2,3

Jurusan Teknik Sipil, FDTP, Universitas Pelita Harapan, UPH Tower, Lippo Karawaci, Tangerang 15811 Email : [email protected]

ABSTRACT If there is no risk of fire, the steel pipe beam damage can be retrofitted by welding. Theoretically, welding can unify two steel materials to be a monolith. When welding cannot be used, retrofit with Fiber Reinforced Plastic or Fiber Reinforced Polymer (FRP) is an alternative solution. FRP is a type of composite material that consists of high strength fiber (aramid, carbon and glass) and polymer resin. Retrofit of reinforced concrete structures with FRP is relatively popular; therefore, it has a special instruction (ACI 440-02). While for retrofitting steel beam, especially steel pipe is unavailable. Even the studies are still rare (Peiris 2011). For that reason, the study was conducted that focus on retrofitting steel pipe beam with fiber Glass or Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP), which is relatively inexpensive. This research will review two GFRP wrapping configurations to steel pipe beam with artificial weakening. A limited wrap configuration following to "anchorage length requirement" is unfavorable. The fully wrap configuration gives a positive result. Its performance is similar to undamaged steel pipe, especially for load configurations that produce a tensile bending condition in wrap area. We expect that the result of study may be used as guidance for better implementation of retrofit to the steel pipe beam or similar elements with GFRP. Key words: retrofit, steel pipe, beam, FRP, GFRP, ACI 440-02

ABSTRAK Bila tidak ada resiko kebakaran, kerusakan balok pipa baja dapat diatasi dengan menambal memakai pelat baja yang dilas. Teoritis, pengelasan dapat menyatukan material baja secara monolit. Ketika las tidak bisa dipakai, retrofit dengan Fiber Reinforced Plastic atau Fiber Reinforced Polymer (FRP) adalah alternatif solusinya. FRP adalah material komposit yang terdiri dari serat berkekuatan tinggi (Aramid, Carbon dan Glass) dan resin polimer. Retrofit struktur beton dengan FRP relatif populer, bahkan ada petunjuknya (ACI 440R-96). Petunjuk serupa untuk struktur baja, khususnya pipa baja, belum ada. Bahkan penelitiannya saja masih jarang (Peiris 2011). Untuk itulah penelitian ini dilakukan, dan difokuskan pada retrofit balok pipa baja dengan serat fiber Glass atau Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP), yang relatif murah. Pada penelitian ini akan ditinjau dua konfigurasi wrapping GFRP pada pipa baja yang diberi pelemahan buatan. Konfigurasi wrapping berdasarkan “panjang penyaluran perlu” ternyata kurang baik. Adapun konfigurasi wrapping penuh pada daerah pelemahan, hasilnya positip. Kinerjanya bahkan sebanding dengan balok pipa baja utuh, khususnya untuk konfigurasi beban yang menghasilkan kondisi tarik lentur pada daerah wrapping tersebut. Harapannya, semoga hasil penelitian ini dapat dijadikan petunjuk untuk pelaksanaan retrofit balok pipa baja atau elemen sejenis dengan GFRP secara lebih baik Kata kunci: retrofit, balok, pipa baja, FRP, GFRP, ACI 440-02

1. PENDAHULUAN Kerusakan tarik pada balok pipa baja dapat diperbaiki (retrofit) dengan pelat baja dengan teknik pengelasan. Teori, teknik las dapat menyambungkan dua material baja secara monolit dibandingkan cara lain, tetapi cara tersebut perlu dihindari jika prosesnya beresiko tinggi menimbulkan bahaya kebakaran. Untuk itu, retrofit memakai bahan Fiber Reinforced Plastic atau Fiber Reinforced Polymer (FRP) adalah alternatif yang tepat. FRP sendiri pada dasarnya material komposit yang terbuat dari serat berkekuatan tinggi (Aramid, Carbon dan e-Glass) dan resin polimer, dalam bentuk laminate, yang ditempelkan sebagai perkuatan pada bagian luar elemen struktur yang diretrofit.

KoNTekS 6 Universitas Trisakti, Jakarta 1-2 November 2012

MB-65

Material dan Bahan

Retrofit dengan FRP untuk elemen struktur baja mempunyai banyak keuntungan dibandingkan cara tradisionil (baut atau las). Bahan FRP mempunyai rasio kuat-berat dan ketahanan korosi yang tinggi, pemasangannya relatif mudah dengan lem adhesif sehingga cukup dengan cara manual (tangan), dan kekakuan yang setara dengan baja. Bahannya ringan, rasio kuat-berat yang tinggi menyebabkan tidak ada penambahan berat yang signifikan sehingga tidak ada pengurangan kapasitas layan. Perkuatan dengan FRP juga tidak menimbulkan konsentrasi tegangan yang signifikan sehingga mempunyai ketahanan fatig yang lebih baik dibanding retrofit dengan pelat baja (Bocciarelli et al 2009). Retrofit struktur baja dengan FRP juga akan meningkatkan ketahanannya terhadap kondisi lingkungan yang buruk, karena tidak beresiko mengalami korosi galvanik (Lenwari et al. 2006). Retrofit elemen struktur baja dengan FRP mempunyai banyak keuntungan, meskipun demikian dalam kenyataannya pemakaiannya di lapangan masih kalah populer dibanding struktur beton. Retrofit struktur beton dengan FRP, relatif populer, metode aplikasinya juga cukup baku dibuktikan dengan adanya petunjuk khusus yang mendukung seperti ACI 440-02 (ACI Committee 440, 2002) dan European fib bulletin 14 (fib Task group 9.3, 2001). Kondisi tersebut belum ada untuk aplikasi pada struktur baja, bahkan risetnya juga masih terbatas (Peiris 2011). Oleh karena itulah penelitian tentang retrofit pipa baja dengan FRP ini diperlukan. Adapun jenis FRP yang akan diteliti adalah retrofit dengan serat fiber Glass atau Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP) yang relatif umum dan murah.

2. KOMPOSIT MATERIAL DENGAN FIBRE REINFORCED POLYMER (FRP) 2.1.

Umum

Bahan komposit polimer dengan perkuatan fiber atau Fiber Reinforced Polymer (FRP) adalah gabungan serat ber-modulus dan berkekuatan tinggi dalam polimer matriks bermodulus rendah yang menjamin transfer beban yang baik di antara serat-serat tersebut. Kekuatan dan kekakuan komposit FRP ditentukan dari jenis dan arsitektur seratnya. Bahan FRP yang cocok untuk infrastruktur sipil dan aplikasi struktur biasanya serat bermodulus dan berkekuatan tinggi dalam bentuk fraksi serat-volume yang relatif tinggi. Orientasi serat menentukan kekuatan sehingga bahan FRP bersifat orthotropik. FRP dapat menyalurkan tegangan mekanik yang tinggi secara aman, dan bahannya dapat dipotong dan disesuaikan dengan pola tegangan pada daerah yang diretrofit. Kinerja akhir dari pemakaian FRP dipengaruhi oleh macam serat (fiber) dan material matrik yang menyatukannya. Serat karbon (Carbon Fibre Reinforced Polymer / CFRP) dan serat kaca (Glass Fibre Reinforced Polymer / GFRP) merupakan jenis FRP yang umum dipakai untuk retrofit elemen struktur. CFRP bisa terdiri dari bahan high strength (hsCFRP), high modulus (hmCFRP), dan yang baru-baru ini adalah ultra-high modulus (uhmCFRP). Umumnya jika ada peningkatan kekakuan CFRP akan disertai dengan pengurangan kekuatan dan regangan putus serat yang lebih pendek. GFRP (umumnya terbuat dari serat E-glass) mempunyai modulus yang lebih rendah dari CFRP, tetapi lebih murah. Agar efektif sebagai perkuatan elemen struktur baja, modulus FRP perlu dipilih yang sesuai dengan material dasar yang diretrofit. Karena alasan itulah maka bahan CFRP adalah yang paling cocok untuk baja, sedangkan jika faktor biaya yang menjadi pertimbangan, maka alternatifnya adalah GFRP seperti yang dipilih pada penelitian ini.

MB-66


Material dan Bahan

Tabel 1. Properti tipikal sistem FRP-baja berbasis lem (ASCE-CCC 2006). FRP Strips

Adhesive1 high low modulus modulus3

Properti

Mild Steel

hsCFRP1

hmCFRP1

uhmCFRP1

GFRP2

modulus tarik (MPa)

200

166

207

304

42

4.5

0.4

kuat tarik (MPa)

276483

3048

2896

1448

896

25

4.8

regangan ultimate, 18-25 1.8 1.4 0.5 2.2 1.0 >10 % 3 berat jenis (kg/m ) 7530 ~1618 ~1618 ~1618 ~2146 ~1201 ~1201 CTE (10-6/oC) 21.6 ~0 ~0 ~0 8.8 162 n.r. tebal strip (mm) 1.3 1.3 1.3 1.5 lebar strip umumnya sampai 150 mm (6 in.) Tg4 (oC) 149 149 149 resin 63 kuat geser (MPa) 24.8 9.0 kuat lekat (kPa) ~20.7 ~5.0 1 sampel data dari produsen tunggal (SIKA Corporation), produsen lain memberikan spesifikasi yang mirip 2 sampel data dari produsen tunggal (Tyfo), hanya ini yang dijumpai memproduksi GFRP untuk pasar infrastruktur 3 tradisionil, sistem lem bermodulus tinggi dipakai untuk perkuatan, yang bermodulus rendah sebagai pembanding saja. 4 Tg = temperatur transisi kaca , n.r. = not reported (tidak ada catatannya)

2.2.

FRP dari Tyfo Fibrwrap System

Serat kaca atau GFRP banyak dipakai untuk perkuatan pada bangunan gedung, tiang-tiang pelabuhan, tangki, dan bangunan infrastruktur. Alasan utamanya adalah harganya yang relatif murah, dan mudah diperoleh di pasaran Indonesia. Jenis ini pula yang dipakai pada penelitian (lihat Gambar 1). Meskipun relatif murah, kuat tariknya relatif tinggi, tahan bahan kimia dan tahan suhu yang relatif tinggi, serta elongasi yang relatif besar. Kekurangannya, adalah modulus tarik yang relatif kecil dan mudah rusak jika tidak benar cara penanganannya. Serat kaca atau GFRP diproduksi dengan cara menggabungkan silikat dengan silika atau dengan kalium karbonat, kapur, ataupun berbagai oksida logam lainnya.

Gambar 1. Serat kaca atau GFRP dari Tyfo Fibrwrap System Sebagai produk teknologi, jenis dan merk produk GFRP yang digunakan bisa sangat berpengaruh. Pada penelitian ini dipilih produk dari Tyfo Fibrwrap System yang merupakan inovasi Edward R. Fyfe (terdaftar patent 1988 di USA). Mula-mula produk ini diaplikasikan pada industri pesawat ruang angkasa, baru kemudian diaplikasikan pada proyek rekayasa sipil. GFRP dari Tyfo Fibrwrap System dapat diaplikasikan cepat dengan tangan tanpa memerlukan alat-alat berat (khusus). Hal ini yang memungkinkan GFRP sangat tepat digunakan sebagai material retrofit. FRP produk Tyfo banyak macamnya, daftar properti pada Tabel 2 berikut diperoleh menurut uji ASTM D3039. Tabel 2. Properti sistem FRP dari Tyfo Fibrwrap System (Fyfe 2003) Properti Kuat ultimate Modulus elastis Elongasi ultimate Tebal laminate

Tyfo E-Glass Based System Tyfo SEF-51A Tyfo WEB Tyfo BC 309 N/mm2 279 N/mm2 575 N/mm2 19.3 kN/mm2 19.0 kN/mm2 26.1 kN/mm2 1.6% 1.5% 2.2% 0.25 mm 0.864 mm 1.3 mm

Tyfo Carbon Based System Tyfo SCH-41 Tyfo BC 876 N/mm2 2790 kN/mm2 72.4 kN/mm2 155.1 kN/mm2 1.21% 1.8% 1.0 mm variasi

Serat kaca (GFRP) untuk penelitian ini adalah Tyfo SEF-51A yang berbahan dasar serat E-Glass, jenis yang tidak menimbulkan gangguan listrik. E didepan GFRP adalah akronim electrical. Properti GFRP yang KoNTekS 6 Universitas Trisakti, Jakarta 1-2 November 2012

MB-67

Material dan Bahan

ada di Tabel 1, meskipun dari produsen sama (Tyfo) ternyata berbeda dengan tipe yang dipakai (Tabel 2). Ini menunjukkan bahwa produk FRP adalah cukup spesifik, tergantung jenis dan asal produsennya.

2.3.

Perbandingan FRP dengan Baja

Fibre Reinforced Polymer (FRP) meskipun berkekuatan tinggi, bahkan sebagian dapat lebih tinggi dari material baja tetapi mempunyai perilaku berbeda. Untuk memahaminya akan ditampilkan dalam bentuk kurva tegangan- regangan yang memperbandingkan baja (mutu GR60) dengan berbagai macam FRP (Tyfo Fibrwrap System) lihat Gambar 2.

Gambar 2. Perilaku mekanik baja dan FRP (FYFE Asia Specification) Perilaku tegangan-regangan FRP-baja tidak sama, sehingga keduanya tidak langsung dapat bekerja sama secara efektif. Modulus elastis baja yang lebih besar dari FRP menyebabkan jika keduanya digabung, pada kondisi elastis material baja akan bekerja menerima beban terlebih dahulu. Jika beban terus ditambahkan, baja mengalami yielding sehingga berdeformasi cukup besar. Pada kondisi tersebut (regangan yang memenuhi) menyebabkan bahan FRP bekerja, konsep kompatibilitas tegangan-regangan. Jadilah kerja sama antara dua bahan. Untuk itulah perencanaan perkuatan FRP maka penampang perlu ditinjau pada kondisi batas (ultimate) dan umumnya deformasi diabaikan.

3. RETROFIT BALOK PIPA BAJA DENGAN FRP 3.1.

Kerusakan Balok Pipa Baja, Simulasi dan Strategi Penelitian yang digunakan

Tujuan penelitian adalah mencari tahu pengaruh konfigurasi bentuk wrapping GFRP pada retrofit balok pipa baja. Elemen pipa dipilih karena bentuknya relatif sederhana untuk dilakukan wrapping. Diameter pipa φ 4.5 in (OD) dan tebal 0.12 in, maka D/t = 37.5 ≤ 0.07 E/Fy atau 58.333, berdasarkan Tabel B1 (AISC 2005) dapat diklasifikasikan penampang kompak. Jadi, jika dipakai balok dapat dibebani sampai terbentuk momen plastis (keruntuhan material) tanpa terjadi tekuk (tekuk lokal maupun tekuk torsi lateral). Keruntuhan pada material bersifat efisien, sekaligus mudah diprediksi kekuatan batasnya berdasarkan teori penampang plastis. Konfigurasi pembebanan balok diusahakan hanya menghasilkan momen lentur saja (gaya geser diabaikan). Adapun bagian balok yang rusak, diposisikan pada sisi tarik akibat momen tersebut. Pada penelitian ini, simulasi kerusakan dianggap terjadi secara ekstrim, yaitu penampang pipa bagian tarik dipotong (dianggap tidak bekerja) sehingga pipa nantinya dipotong separo (rusak artifisial) dan setelah retrofit akan diuji dengan menempatkannya pada sisi tarik.

MB-68


Material dan Bahan

a). Kerusakan pipa baja pada umumnya (real)

b). Kerusakan artifisial untuk penelitian (simulasi)

c). Simulasi pengujian balok dan penempatan “kerusakan artifisial” pada sisi tarik

Gambar 3. Balok Pipa Baja dan Prototipe Kerusakan (Wijaya 2012) Karena pipa dan penampang kompak maka tidak akan terjadi keruntuhan tekuk, baik tekuk lokal atau tekuk torsi lateral, sehingga kuat batas dianggap sama dengan momen plastis penampang, yang dihasilkan dari kopel tekan dan kopel tarik dari penampang yang mengalami tegangan plastis. Adanya kerusakan artifisial (pemotongan penampang) menyebabkan kinerja balok pipa akan terganggu secara signifikan. Retrofit pipa baja dengan cara wrapping GFRP diharapkan mengembalikan kinerjanya. Untuk mengetahui kondisi retrofit yang paling optimal, akan ditinjau dua konfigurasi wrapping. Selanjutnya untuk mengevaluasi optimal atau tidaknya, akan dibandingkan dengan balok pipa baja utuh (tanpa pemotongan) yang diuji dengan cara yang sama seperti uji balok retrofit.

3.2.

Kuat ultimate balok dan cara kerja wrapping GFRP

Wrapping GFRP dimaksudkan untuk mengembalikan kinerja balok pipa baja yang mengalami kerusakan (artifisial). Langkah awal perlu mengetahui jenis keruntuhan, yaitu material (yielding) dengan terjadinya momen plastis. Untuk pipa baja φ 4.5 in (OD), tebal 0.12 in, dan Z = 2.3 in3, mutu ASTM-A-312 Fy = 234 MPa (min) maka Mn = Mp = 2.3* 25.4^3*234 /1E6 ≈ 9 kN-m. Karena bagian yang rusak terjadi pada sisi tarik, maka retrofit dengan wrapping GFRP dapat efektif dilakukan, karena nantinya akan bekerja sebagai elemen tarik menggantikan bagian yang rusak. Retrofit dengan wrapping, berarti melapisi balok pipa baja dengan GFRP yang dilekatkan dengan epoksi Tyfo S. Kuat rekat rata-rata pada baja 2.1 MPa (0.3045 ksi) (FYFE Asia Specification). Agar GFRP mampu menahan tarik memerlukan panjang penyaluran (jarak y pada Gambar 4) di luar daerah yang rusak. Mekanisme kerja wrapping dalam menyalurkan gaya tarik dapat disederhanakan sebagai berikut:


MB-69

Material dan Bahan

Gambar 4. Mekanisme kerja perkuatan dengan wrapping GFRP Panjang penyaluran wrapping atau jarak y di Gambar 4 ditentukan oleh kuat lekat dari lem epoxy yang dipakai dan efisiensi dalam menyalurkan gaya-gaya, dalam hal ini diambil 0.7 sebagai koefisien bonddependent (ACI 440-02).

3.3.

Benda Uji dan Konfigurasi Wrapping GFRP

Berdasarkan mekanisme kerja perkuatan dengan wrapping GFRP dan besarnya kopel gaya tarik pada momen plastis penampang balok pipa baja retrofit, dapat dihitung jumlah lapis GFRP dan panjang penyaluran perlu (Wijaya 2012). Selanjutnya hal itu dipakai sebagai dasar menentukan bentuk konfigurasi wrapping. Bentuk optimal, jika diperoleh luasan GFRP yang minimum, tetapi kinerjanya setinggi mungkin seperti balok pipa baja utuh. Pada penelitian ini akan dievaluasi tiga (3) jenis sampel uji eksperimental, yang terdiri : satu (1) balok pipa baja utuh sebagai referensi, dan dua (2) balok dengan konfigurasi wrapping yang berbeda (lihat Gambar 5).

(a). Balok Pipa Baja P1 (utuh – referensi )

(b). Balok Pipa Baja P2 (retrofit konfigurasi biasa)

(c). Balok Pipa Baja P3 (retrofit konfigurasi khusus)

Gambar 5. Konfigurasi benda uji eksperimental

3.4.

Hipotesis Penentuan Bentuk Konfigurasi Wrapping GFRP

Retrofit dengan wrapping GFRP pada elemen struktur hanya dimaksud untuk mengganti atau memperkuat elemen yang mengalami tegangan tarik. Jika ditempatkan pada daerah tekan, karena tidak punya kekakuan (berupa serat) maka tidak dapat bekerja sebagai perkuatan struktur. Kalaupun berfungsi, hanya dapat digunakan sebagai pelindung atau pelapis luar yang tahan terhadap bahaya korosi maupun thermal. Retrofit konfigurasi biasa (Gambar 5b) disusun dengan anggapan bahwa tegangan tarik plastis penampang kondisi batas hanya ada pada arah longitudinal (memanjang) balok. Anggapan ini juga dipakai pada retrofit struktur beton, sehingga hanya menempatkan lapis FRP pada sisi tarik terluar. Karena kerusakan artifisial

MB-70


Material dan Bahan

yang dibuat memotong penampang pipa sampai separoh bagian, maka bagian tarik dianggap hilang secara keseluruhan. Bagian tadi akan digantikan oleh GFRP dengan cara wrapping. Agar memikul gaya tarik maka perlu panjang penyaluran sepanjang 55 cm di sisi kiri dan kanan dari bagian pipa yang diberi kerusakan artifisial. Retrofit konfigurasi khusus (Gambar 5c) disusun dengan anggapan bahwa tegangan pada bagian rusak tidak sekedar tegangan longitudinal (memanjang) balok pipa baja. Orientasi yang tepat tegangan-tegangan di daerah retrofit tidak menjadi fokus pengamatan, dianggap kompleks sehingga perlu diantisipasi secara khusus, yaitu dengan memberikan confinement penuh sebesar 5 cm di kiri dan kanan bagian pipa yang rusak. Dengan membandingkan masing-masing jenis sampel uji, [1] balok pipa baja utuh; [2] retrofit wrapping konfigurasi biasa; dan [3] retrofit wrapping konfigurasi khusus (dengan confinement), maka akan dapat diketahui hipotesis mana dari proses retrofit di atas yang dapat ditindak lanjuti untuk menghasilkan proses retrofit yang lebih baik.

3.5.

Pelaksanaan pembuatan benda uji

Retrofit balok pipa baja bertempat di Laboratorium Beton, Jurusan Teknik Sipil, UPH, Karawaci, yang pelaksanaan-nya mendapat bantuan tenaga teknis dari PT. Graha Citra Anugerah Lestari, perwakilan Tyfo Fibrwrap System di Indonesia. Pekerjaan awal adalah mempersiapkan bidang permukaan pipa baja yang diretrofit, dibersihkan dengan gerinda sikat kawat. Ini penting karena menentukan kekuatan lekat lem epoxy antara permukaan baja dan GFRP.

(b). Gerinda sikat kawat

(a). Pembersihan Permukaan

(c). Hasil Pembersihan Permukaan

Gambar 6. Persiapan permukaan balok pipa baja sebelum pelapisan GFRP Pelapisan atau wrapping GFRP memakai Tyfo SEH51A, sebanyak lima lapis dengan sesuai Gambar 5. Prosesnya sendiri terbagi menjadi beberapa bagian, yaitu: [a] pemotongan fiber sesuai ukuran perlu; [b] pencampuran epoksi resin dan pengeras; [c] saturasi permukaan pipa; [d] saturasi fiber; [e] pelaksanaan wrapping, serta [f] pelapisan plastik pelindung dan proses curing selama satu minggu. Untuk dokumentasinya lihat Gambar 7 berikut.

(a). Pemotongan fiber GFRP

(b). Pencampuran epoksi resin dan pengeras

Gambar 7. Proses retrofit dengan pelapisan GFRP (Wijaya 2012)


MB-71

Material dan Bahan

(c). Saturasi permukaan pipa baja

(d). Saturasi fiber

(e). Pelaksanaan wrapping (lapis demi lapis)

(f). Pelapisan plastik pelindung

(g). Hasil akhir wrapping dan proses curing satu minggu

Gambar 7. Proses retrofit dengan pelapisan GFRP (Wijaya 2012) - (lanjutan)

3.6.

Pengujian Lentur Balok Pipa Baja di Laboratorium UPH

Selesai pelaksanaan retrofit, benda uji dibiarkan pada temperatur kamar selama seminggu untuk pengeringan epoksi. Selanjutnya dilakukan pengujian lentur memakai platform uji balok di Laboratorium Beton UPH. Sebagai beban digunakan dongkrak hidrolik merk Enerpac-USA Tipe RC-106/D1896C kapasitas 68 MPa / 10 ksi.

(a). Konfigurasi sebelum pengujian

(b). Konfigurasi keruntuhan balok dengan retrofit

Gambar 8. Pengujian lentur balok pipa baja (Wijaya 2012)

MB-72


Material dan Bahan

Konfigurasi uji lentur Gambar 8, merupakan kondisi tipikal yang diaplikasikan pada semua benda uji. Perbedaan yang ada hanya pada kondisi retrofit (secara detail lihat Gambar 5). Selanjutnya pembebanan diberikan pada beberapa tahapan dan pada setiap tahapan dicatat gaya dan deformasinya (P-∆). Pembebanan dihentikan jika balok mengalami kondisi ultimate (batas) yang ditandai dengan deformasi yang besar (pipa utuh) atau dengan terlepasnya lekatan antara wrapping GFRP dari permukaan pipa baja (pipa retrofit). Kondisinya seperti pada Gambar 9 berikut.

(a). Balok pipa baja utuh – deformasi besar

(b). Balok pipa baja retrofit –terlepasnya wrapping

Gambar 9. Kondisi akhir keruntuhan balok (Wijaya 2012)

3.7.

Hasil pengujian lentur

Tiga (3) jenis balok pipa baja yang akan diuji (lihat Gambar 5), masing-masing jenis disiapkan tiga (3) benda uji. Jadi total pengujian ada sembilan (9) buah, adapun perinciannya dapat dibaca pada tabel berikut. Tabel 3. Hasil sampel uji lentur balok pipa baja utuh dan retrofit No 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Legenda P1A P1B P1C P2A P2B P2C P3A P3B P3C

M maks (kN-m) 9.48 9.48 9.48 7.68 6.77 8.13 9.48 9.48 9.48

∆ maks (mm) 11.86 12.13 12.61 26.42 24.79 15.30 15.95 18.60 16.40

Keterangan Balok pipa baja utuh (sebagai acuan kinerja) Konfigurasi retrofit biasa, yaitu pada sisi terpotong saja. Konfigurasi retrofit khusus, ada confinement menyeluruh di sekitar bagian yang rusak.

Catatan : ∆ maks untuk sampel uji P2A dan P2B tidak bisa dijadikan patokan, karena posisi beban menyebabkan momen M maks terjadi sepanjang bagian yang di-wrapping, adapun yang lain terpusat di bagian yang rusak saja. Pembebanan diberikan secara bertahap, dan disetiap tahapan dicatat besarnya momen yang dihasilkan berdasarkan konfigurasi beban yang ada dan lendutan (∆) di tengah-tengah bentang masing-masing balok. Selanjutnya dibuat kurva hubungan M-∆ (Gambar 10). Pada kurva ditampilkan juga garis momen plastis teoritis sebagai pembanding.


MB-73

Material dan Bahan

momen (kN-m)

10 9

P1A

8

P1B

7

P1C P2A

6

P2B

5

P2C

4

P3A

3

P3B

2

P3C

1

Mp (teoritis)

0 0

5

10

15

20

25

30

deformasi (mm)

Gambar 10. Perilaku keruntuhan benda uji balok pipa baja (utuh dan retrofit)

4. PEMBAHASAN Besarnya momen maksimum (M maks) yang dapat dicatat dari pengujian balok pipa baja utuh dan balok pipa baja retrofit khusus pada Tabel 3 jika diperhatikan, ternyata mempunyai nilai yang sama persis. Itu tidak berarti, bahwa momen kapasitas balok pada ke enam sampel uji adalah sama persis. Nilai itu hanya mencatat besarnya tekanan hidrolik terakhir pada dongkrak Enerpac yang menghasilkan keruntuhan pada balok, meskipun dapat juga diartikan bahwa ke enam balok sampel uji tersebut mempunyai momen keruntuhan yang setara. Maklum, proses pengujian dilakukan secara manual, yaitu dengan mengukur tekanan pompa hidrolik dan mengkonversikan menjadi beban titik dan karena mengetahui posisi beban dan tumpuannya maka dapat dihitung momen yang dihasilkan pada penampang balok. Oleh karena itu, nilai momen yang dihasilkan dari proses konversi tersebut tentu tidak seteliti jika digunakan pembebanan dengan mesin khusus (misalnya Universal Testing Machine). Jadi nilai momen tidak dipakai sebagai acuan. Meskipun demikian, karena pada sampel uji juga diuji sampel balok pipa baja utuh, maka dihasilkan balok pembanding untuk mengetahui efektif tidaknya konfigurasi wrapping yang dipakai. Itulah prinsip yang mendasari cara mengevaluasi hasil penelitian ini. Kapasitas nominal balok pipa baja dapat dihitung teoritis berdasarkan momen plastis penampang, Mp = 9 kN-m. Hasil uji empiris balok pipa baja utuh (P1A, P1B, P1C) menunjukkan nilai yang lebih tinggi (M maks = 9.48 kN-m). Itu dapat dimaklumi karena Fy yang dipakai pada perhitungan momen plastis adalah nilai minimum (batas bawah). Jadi secara prinsip hal itu dapat diterima. Balok pipa baja dengan konfigurasi retrofit biasa (P2A, P2B, P2C), wrapping GFRP pada sisi terpotong, ternyata mengalami keruntuhan pada nilai momen yang lebih kecil dari nilai Mp (teoritis) maupun M maks balok pipa baja utuh (empiris). Sedangkan balok pipa baja dengan konfigurasi retrofit khusus (P3A, P3B, P3C) memiliki kekuatan yang sama tinggi dengan balok pipa baja utuh, hanya saja lendutannya lebih besar. Jika mengacu pada momen maksimum yang dicapai dari balok retrofit, maka konfigurasi wrapping khusus, dengan memberikan confinement pada daerah kerusakan balok, adalah konfigurasi terbaik yang optimal (lihat Gambar 5c). Itu juga menunjukkan bahwa kinerja retrofit tidak ditentukan dari bahan GFRP yang dipakai saja, tetapi tergantung juga pada konfigurasi wrapping yang diterapkan. Retrofit konfigurasi biasa (Gambar 5b) disusun dengan anggapan bahwa tegangan tarik serat plastis penampang balok pipa baja pada kondisi batas hanya terjadi pada serat arah longitudinal (memanjang) balok. Ternyata hipotesis tersebut tidak tepat, yang dibuktikan dengan kinerja balok retrofit yang tidak optimal. Sedangkan retrofit konfigurasi khusus (Gambar 5c), yaitu adanya confinement penuh di daerah yang rusak sebagai cara untuk mengantisipasi kompleksitas tegangan yang terjadi, ternyata menghasilkan kinerja retrofit yang memuaskan, yaitu sama seperti pipa baja yang utuh. Adapun untuk mengetahui kompleksitas tegangan di daerah kerusakan, perlu penelitian khusus yang tentunya dilengkapi dengan alatalat ukur tegangan yang canggih (mahal). Karena retrofit dengan konfigurasi biasa (Gambar 5b) juga diterapkan pada elemen struktur beton, dan umumnya hasilnya memuaskan. Maka dapat juga disimpulkan, bahwa konfigurasi wrapping GFRP untuk retrofit elemen baja dan elemen beton adalah tidak sama. Itu kemungkinan akibat modulus elastisitas kedua bahan yang berbeda. Jika digunakan FRP jenis lain, hasilnya bisa saja berbeda. Untuk itu, tentu diperlukan penelitian yang lebih lanjut.

MB-74


Material dan Bahan

5. KESIMPULAN Retrofit perkuatan elemen struktur dengan cara pemasangan wrapping dengan GFRP dapat efektif jika ditempatkan untuk memperbaiki atau menggantikan kerusakan serat yang mengalami tegangan tarik saja. Konfigurasi wrapping GFRP sangat menentukan kinerja balok pipa baja yang diretrofit. Strategi biasa untuk aplikasi pada elemen struktur beton bertulang tidak secara efektif dapat langsung diaplikasikan pada elemen struktur baja. Jika ada keraguan, khususnya menentukan konfigurasi wrapping yang tepat, maka strategi pemberian confinement penuh pada bagian yang rusak dapat diterapkan. Pemberian confinement atau membungkus penuh bagian yang rusak merupakan strategi untuk mengantisipasi permasalahan kompleksitas tegangan yang terjadi pada daerah kerusakan tersebut, ternyata arah tegangan tarik yang perlu diatasi oleh wrapping GFRP tidak terbatas pada arah longitudinal atau memanjang arah balok saja. Orientasi tegangan yang detail masih memerlukan penelitian yang lain.

6. UCAPAN TERIMA KASIH Atas terlaksanakan penelitian ini diucapkan banyak terima kasih kepada PT. FYFE Fibrwrap Indonesia (PT. Graha Citra Anugrah Lestari), khususnya Bapak Petrus Widyatama dan Bapak Akristin Eko Sujepri yang mendukung dan memberikan sponsor berupa bahan material GFRP yang digunakan dalam penelitian, sekaligus mengirimkan teknisi pemasangannya. Juga diucapkan banyak terima kasih kepada Universitas Pelita Harapan, khususnya pimpinan dan teknisi di Laboratorium Beton, di Jurusan Teknik Sipil, kampus Lippo Karawaci, Tangerang.

7. DAFTAR PUSTAKA ACI Committee 440.(2002). State-of-the-Art Report on Fiber Reinforced Plastic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures - ACI 440R-96 (Reapproved 2002), American Concrete Institute Farmington Hills, MI. ACI Committee 440. (2002). Guide to the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures, ACI 440.2R-02, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI. AISC. (2005). “ANSI/AISC 360-05: An American National Standard – Specification for Structural Steel Building”, American Institute of Steel Construction, One East Wacker Drive, Suite 700, Chicago, Illinois ASCE-CCC.(2006). Steel FRP Document (Draft Report), ASCE Committee on Composite Construction Task Group on Steel-FRP Composite Construction, version 3.0 – May 2006 – Structures 2006 – St Louis meeting, http://bridge.ecn.purdue.edu/~jliu/CCC/Steel_FRP_v3.doc (akses 30 Mei 2012) Bocciarelli, M., Colombi, P., Fava, G. and Poggi, C. (2009). Fatigue performance of tensile steel members strengthened with CFRP plates., Composite Structures, 87(4), 334-343. fib Task Group 9.3. (2001). Externally bonded FRP reinforcement for RC structures, fib Bulletin 14, Lausanne: Federation International du Beton Fyfe (2003). Tyfo Fibrwrap System (http://www.fyfeco.com), Brosur PT. Graha Citra Anugrah Lestari, Jakarta Lenwari, A., Thepchatri, T., Albrecht, P. (2006). Debonding Strength of Steel Beams Strengthened with CFRP Plates. Journal of Composites for Construction, 10(1), 69-78. Peiris, Nisal Abheetha. (2011).Steel Beams Strengthened With Ultra High Modulus CFRP Laminates”, University of Kentucky Doctoral Dissertations. Paper 204., http://uknowledge.uky.edu/gradschool_diss/204 (akses 30/5/12) Wijaya, T. (2012). Pengaruh Penggunaan GFRP pada Perbaikan Balok Pipa Baja Berlubang, Jurusan Teknik Sipil, Universitas Pelita Harapan, Skripsi (tidak dipublikasikan).


MB-75

Material dan Bahan

MB-76


PENGARUH KONFIGURASI WRAPPING FIBER REINFORCED POLIMER (FRP) TERHADAP KINERJA HASIL RETROFIT BALOK PIPA BAJA

Recommend Documents