1
Pengaruh Korosi Tulangan Balok Beton Bertulang Terhadap Kuat Lentur Berbasis Waktu Dengan Menggunakan Software LUSAS Agus Apriyanto1, Mudji Irmawan, Ir, MS.2, dan Endah Wahyuni, ST, MSc, PhD.3 Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected],
[email protected],
[email protected] Abstrak— Korosi pada baja tulangan saat ini banyak ditemui pada struktur beton bertulang. Salah satu penyebab terjadinya korosi adalah pengaruh lingkungan. Tulangan baja pada beton bertulang yang mengalami korosi dapat menyebabkan pengurangan kekuatan dari struktur tersebut, sehingga bila kerusakan ini terus berlanjut akan mengakibatkan bangunan beton tersebut menjadi tidak layak untuk digunakan. Melihat kenyataan ini maka seorang insinyur diharapkan dapat melakukan evaluasi secara rutin pada struktur yang menunjukan kerusakan akibat korosi. Salah satu cara yang dapat digunakan adalah penerapan metode elemen hingga. Pada tugas akhir ini dilakukan pemodelan korosi tulangan baja pada balok beton bertulang terhadap kuat lentur dengan menggunakan software berbasis metode elemen hingga yaitu program bantu LUSAS. Pemodelan dilakukan dengan membuat model dari perilaku balok beton bertulang yang tulangannya mengalami korosi berbasis waktu. Faktor laju korosi sangat mempengaruhi perilaku dari balok beton bertulang dalam pemodelan proses ion Cl- dapat menembus pelindung pasif dan mengurangi luasan dari tulangan. Dengan adanya pemodelan ini diperoleh informasi yang memadai mengenai pengaruh korosi tulangan baja pada balok beton bertulang terhadap momen lenturnya.
dari persentase berat yang hilang. Begitu pula kuat geser pada balok beton bertulang, akibat pengaruh dari korosi mengakibatkan penurunan kemampuan kuat geser dari balok tersebut yang berati juga menurunkan kemampuan balok dalam memikul momen lentur. Melihat kenyataan bahwa korosi tulangan baja juga menjadi faktor kekuatan struktur, maka seorang insinyur harus sering mengevaluasi struktur yang ada yang menunjukan kerusakan akibat korosi. Salah satu cara yang banyak digunakanan untuk menganalis struktur adalah Metode Elemen Hingga, namun untuk kerusakan struktur akibat korosi membutuhkan asumsi yang tepat. Dalam makalah ini nantinya dibahas mengenai hal-hal yang terkait langsung korosi tulangan baja pada balok beton bertulang, kapasitas maksimum beban yang mampu dipikul oleh balok beton bertulang yang tulangan bajanya mengalami korosi sampai batas lendutan ijin serta pengaruh momen lentur pada balok beton bertulang yang tulangan bajanya mengalami korosi.
Kata Kunci— korosi, metode elemen hingga, balok beton bertulang, momen lentur.
Baja adalah bahan yang mempunyai kuat tarik yang tinggi dan koefisien pemuaian yang hampir sama dengan beton. Sedangkan beton mempunyai kelemahan utama yaitu kuat tariknya kecil. Karena hal ini aka baja dapat digunakan sebagai tulangan pada beton yang menerima gaya tarik. Pada lapisan baja terdapat lapisan pasif baja yang tipis yang berfungsi untuk melindungi baja dari korosi. Lapisan pasif baja akan bereaksi dengan larutan asam atau akan larut dalam kondisi asam. Karena sifat beton alkali, yaitu basa dengan pH sekitar 12-13, baja tulangan didalam beton aman terhadap korosi. Jika dilihat secara makro, beton merupakan material yang kuat, tetapi jika dilihat secara mikro maka beton adalah material yang berpori dengan diameter kecil. Pori-pori di dalam beton pada umunya menerus yang berdiameter 3 nm – 2 μm. Ukuran tersebut masih memungkinkan senyawasenyawa disekitar beton untuk berinfiltrasi kedalam beton dengan cara berdifusi. Proses ini dapat terjadi karena ada perbedaan konsesntrasi di dalam beton dan di luar beton. Pada korosi baja tulangan, kerusakan terjadi pada tulangan didalam beton. Ini disebabkan karena tulangan di dalam beton bereaksi dengan air dan membentuk karat (Fe2O3.nH2O). Karat yang terbentuk pada tulangan ini mengakibatkan penambahan volume besi tulangan tersebut. Penambahan volume ini tergantung pada kondisi oksidasinya. Penambahan volume kurang lebih 600%. Penambahan volume ini
I. PENDAHULUAN Beton bertulang telah digunakan sebagai struktur utama maupun struktur pelengkap hampir di setiap bangunan sipil di beberapa negara. Dewasa ini sering terlihat pada proyek bangunan sipil yang komponennya beton bertulang, baja tulangannya banyak mengalami korosi akibat pengaruh dari lingkungan. Tulangan baja pada beton bertulang yang terkorosi bisa mengurangi kekuatan dari struktur tersebut. Korosi pada tulangan baja balok beton bertulang mengakibatkan pengurangan luas permukaan baja tulangan dan menimbulkan diskontinuitas pada permukaan baja. Korosi pada baja tulangan selain menyebabkan pengurangan luas permukaan juga menimbulkan volume senyawa hasil reaksi korosi yang lebih besar daripada volume baja yang bereaksi. Hal ini dapat mengakibatkan selimut beton mengalami keretakkan. Jika kerusakan ini terus berlanjut, maka bangunan beton tidak layak dipakai lagi. Menurut Al-Sulaimani (1990) tingkat korosi sampai dengan 1,5% tidak mempengaruhi kapasitas maksimum beton memikul beban, saat 4,5% mengalami korosi dapat mengurangi kapasitas maksimum memikul beban sampai tersisa 12%. Secara umum, tingkat korosi dapat ditentukan
II. URAIAN PENELITIAN
2 kemudian mendesak beton sehingga beton tersebut terkelupas atau pecah. (Wibowo & Gunawan, 2007)[4] Dengan menggunakan software LUSAS dicari lendutan, momen lentur dan kapasitas maksimum beban yang mampu dipikul balok beton bertulang disetiap tingkat korosinya berbasis waktu. Disini dibuat model dari perilaku balok beton bertulang yang tulangannya mengalami korosi berbasis waktu. Faktor laju korosi sangat mempengaruhi perilaku dari balok beton bertulang disini dalam pemodelan. Bagaimana ion Cl- dapat menembus pelindung pasif dan mengurangi luasan dari tulangan ini. Untuk mencari nilai momen lentur balok beton bertulang digunakan rumus sebagai berikut a Mn As. fy. d 2
(1)
As As '. fy a 0,85. f ' c.b
(2) Untuk laju propagasi korosi yang mengurangi luasan tulangan sangat dipengaruhi oleh rasio air semen dan tebal selimut betonUntuk pemodelan korosi tulangan, dilakukan running setiap 5 tahun dengan mengurangi luasan tulangan baja. Hasil kapasistas maksimum dan momen lentur beton bertulang dari software LUSAS nantinya dibuat grafik untuk mengetahui seberapa besar pengaruh korosi pada balok beton bertulang terhadap momen lentur.
Dari data balok diatas, didapat lendutan ijin balok sebesar: L 3300 ijin 9,167mm 360 360 B. Analisa Tingkat Korosi Perhitungan tingkat korosi ini menggunakan rumus dari Stewart & Mullard (2006)[2] adalah sebagai berikut : 1, 64 w 271 c A / cm 2 icorr 1 cov er (3) 1, 64 271 0,5 icorr 1 A / cm 2 3,366A / cm 2 25 Pada kasus ini diasumsikan bahwa tingkat korosi menurun terhadap waktu yang dimodelkan melalui rumus dari Stewart & Mullard (2006)[2] adalah sebagai berikut: 0, 29 icorr T icorr 1 0,85T T1 (4) T1 = 3 tahun
icorr T 3,366 0,85T 3
0, 29
icorr T 2,861T 3
0, 29
(5)
Waktu inisiasi ini diambil berdasarkan asumsi bahwa kualitas hamya mampu menahan hingga waktu 3 tahun ion Cl menembus selimut beton. Berikut grafik dari penurunan tingkat korosi terhadap waktu.
III. PEMODELAN A. Data Material dan Konfigurasi Balok
Berikut adalah data material dan konfigurasi balok yang digunakan dalam pemodelan : Mutu beton (f’c)
: 35 MPa
w
: 0,5
c
Poisson’s Ratio Beton Mutu baja (fy) Poisson’s Ratio Baja Diameter Tulangan Selimut Beton Dimensi Balok 300 mm
: 0,2 : 400 MPa : 0,3 : 2#22 : 25 mm : 3300 mm x 150 mm x
Gambar 3 Grafik Tingkat Korosi Berbanding Waktu Dari tingkat korosi tersebut, dapat dicari pengurangan luasan dari tulangan baja pada balok seperti yang dirumuskan oleh Val D. V. & Melchers R.E., (1997)[3] adalah sebagai berikut:
Gambar 1 Konfigurasi Balok
Gambar 4 Korosi Seragam Gambar 2 Detail Penampang Balok
3 D t / 2 0,0232 icorr t
(6)
Ast t
1 2 D0 0,0464 icorr t 4 (7) Dengan t adalah waktu propagasi yang pada kasus ini ekuivalen dengan T 3 . Dari persamaan 4.1 dan 4.3 diperoleh: 2 1 Ast t D0 0,0464 2,861 t 0, 29 t 4 (8)
Ast t
2 1 D0 0,1328 t 0,71 4 1 0, 71 2 Ast T D0 0,1328 T 3 4
(9)
(10)
Persamaan 4.4 ini digunakan untuk mencari pengurangan luasan tulangan baja terhadap waktu.
Tabel 1 Load Capacity Year
C. Analisa dan Hasil LUSAS 1. Load Capacity Untuk menemukan kapasitas beban maksimum yang dapat dipikul oleh balok sampai batas lendutan ijin, maka dilakukan analisa balok 2 D pada LUSAS dengan cara mengurangi luasan tulangan setiap 5 tahun sesuai dengan laju korosi, sehingga didapatkan nilainilai dari beban yang mampu dipikul oleh balok tersebut, hingga mencapai batas lendutan ijin. Dibawah ini adalah tabel dari nilai-nilai beban yang mampu dipikul oleh balok sampai batas lendutan ijin, beserta grafiknya.
Load (N)
% Load
0
100
44289
100
3
100
44289
100
5
96.246
43619
98.487
93.514
43564
98.363
15
91.379
43524
98.273
20
89.516
42310
95.531
25
89.516
41497
93.697
30
86.256
40831
92.193
84.784
40196
90.759
40
83.389
40098
90.537
45
82.059
40006
90.329
50
80.784
39453
89.081
55
79.557
39241
88.602
60
78.374
38769
87.537
77.228
38702
87.385
70
76.117
38469
86.859
75
75.038
37959
85.709
80
73.988
37799
85.346
85
72.965
37355
84.343
71.966
37170
83.926
95
70.991
36617
82.678
100
70.038
36120
81.555
10
35
65
Gambar 5 Grafik Presentase Pengurangan Luasan Tulangan
% Steel Area
90
Dari gambar 6 dan tabel 1 dapat dilihat sampai tahun ke 100, balok tersebut mengalami penurunan dalam memikul beban sampai batas lendutan ijin 9,167 mm sampai tersisa 82,441% dari kapasitas beban awal ketika belum terjadi korosi.
Berikut adalah gambar pola retak dari balok akibat korosi tulangan pada batas lendutan ijin dari balok tersebut.
Gambar 7 Pola retak balok tahun ke 0
Gambar 8 Pola retak balok tahun ke 25
Gambar 9 Pola retak balok tahun ke 50 Gambar 6 Grafik Load Capaciy Balok
4 Tabel 2 Jumlah retak balok
Gambar 10 Pola retk balok tahun ke 75
Year 0
Gambar 11 Pola retak balok tahun ke 100 Dan dibawah ini merupakan pola retak balok pada saat lendutan 1,5 kali lendutan ijin (13,7505 mm).
Gambar 12 Pola retak tahun ke 0
Gambar 13 Pola retak tahun ke 25
Gambar 14 Pola retak tahun ke 50
Gambar 15 Pola retak tahun ke 75
Gambar 16 Pola retak tahun ke 100
Lendutan -9.167 mm P Load Jumlah (N) Retak 44289 74
Lendutan 13.7505 mm P Load Jumlah (N) Retak 59647
116
5
43619
76
57696
118
10
43564
87
57442
122
15
43524
86
56417
124
20
42310
88
55149
128
25
41497
80
55057
124
30
40831
90
54178
123
35
40196
90
54104
138
40
40098
92
53047
140
45
40006
87
52966
144
50
39453
82
52283
138
55
39241
92
51573
139
60
38769
90
50942
136
65
38702
94
50162
144
70
38469
92
49994
142
75
37959
88
49458
136
80
37799
84
48781
136
85
37355
82
47733
142
90
37170
84
47990
140
95
36617
80
47471
142
100
36120
82
46829
136
Dari gambar 7 – 16 dan tabel 2 dapat dilihat pada saat balok melendut sampai batas lendutan ijin -9,167 mm jumlah retak pada balok pada tahun ke 0 sebanyak 76 dengan beban 42.998 N dan pada tahun berikutnya jumlah retak pada balok lebih banyak dengan beban yang lebih kecil. Begitu juga pada saat balok melendut 1,5 kali lendutan ijin -13,7505 mm, jumlah retak pada balok sebanyak 116 dengan beban 59.647 N dan pada tahun berikutnya jumalh retak pada balok bertambah dengan beban menurun. 2. Analisa Tegangan Material Balok Beton Bertulang Tegangan material pada balok beton bertulang perlu dianalisa untuk mengetahui apakah pada saat lendutan ijin maksimum material beton ataupun baja sudah leleh atau belum. Berikut adalah tabel dan grafik dari tegangan pada beton dan baja dari balok beton bertulang.
5 Tabel 3 Tegangan Pada Beton dan Baja
Dari gambar 17 dan 18 dan tabel 3 dapat dilihat pengaruh yang signifikan akibat korosi terjadi pada tulangan baja karena tengan baja pada tahun ke 100 mengalami kenaikan menjadi 319,934 MPa dengan beban 36.120 N yang awalnya 273,66 MPa dengan beban 44.289 N.
0
P Load Capacity (N) 44289
Stress Concrete (MPa) 13.279
Stress Bar (MPa) 273.660
5
43619
13.080
280.652
10
43564
13.066
289.074
15
43524
13.052
297.274
20
42310
12.691
291.345
25
41497
12.444
289.997
30
40831
12.246
296.354
35
40196
12.051
297.472
40
40098
12.025
297.138
45
40006
12.000
302.217
50
39453
11.828
302.765
55
39241
11.771
305.197
60
38769
11.628
303.977
65
38702
11.612
309.347
70
38469
11.538
311.834
75
37959
11.389
309.657
80
37799
11.339
310.731
0
85
37355
11.198
312.330
90
37170
11.148
95
36617
100
36120
Tahun
3. Momen Nominal Selain mencari kapasitas beban maksimum sampai lendutan ijin, perlu juga dicari momen nominal dari balok tersebut dengan tujuan untuk mengetahui nilai momen yang mampu dipikul oleh balok akibat pengaruh korosi. Perhitungan momen nominal ini didapat dengan menghitung manual mengunakan rumus sesuai dengan persamaan 1 dan 2. Berikut merupakan tabel dan grafik hubungan pengaruh korosi tulangan baja terhadap momen nominal balok. Tabel 3 Momen Nominal Balok Steel Area (mm2)
d (mm)
a (mm)
Mn (N.mm)
774.000
275
69.378
74400262
100
3
774.000
275
69.378
74400262
100
316.356
5
744.948
275
66.774
71995600
96.768
10.985
316.694
10
723.796
275
64.878
70225826
94.389
10.834
319.934
15
707.272
275
63.397
68832170
92.516
20
692.852
275
62.104
67607859
90.870
25
679.760
275
60.931
66489916
89.368
30
667.624
275
59.843
65448142
87.968
35
656.228
275
58.822
64465040
86.646
40
645.431
275
57.854
63529302
85.389
45
635.135
275
56.931
62633074
84.184
50
625.267
275
56.046
61770616
83.025
55
615.774
275
55.195
60937568
81.905
60
606.612
275
54.374
60130516
80.820
65
597.747
275
53.580
59346722
79.767
70
589.149
275
52.809
58583948
78.742
75
580.796
275
52.060
57840332
77.742
80
572.668
275
51.332
57114305
76.766
85
564.747
275
50.622
56404529
75.812
90
557.019
275
49.929
55709846
74.879
95
549.471
275
49.252
55029254
73.964
100
542.091
275
48.591
54361870
73.067
Gambar 17 Grafik Stress Concrete
Gambar 18 Grafik Stress Bar
Year
Persentas e (%)
6 pengurangan luasan tulangan tidak lebih dari 25% selama 100 tahun. 2. Diharapkan pada saat merancang elemen struktur beton bertulang agar memperhatikan mutu (f’cmin = 35 MPa) dan selimut beton (covermin = 75 mm) sehingga tingkat korosi dapat diminimalisir. DAFTAR PUSTAKA
Gambar 19 Grafik Perbandingan Momen Nominal Balok, Pengurangan Luasan Tulangan dan Laju Korosi (150 mm x 300 mm, 2#22) Dari tabel dan grafik diatas dapat dilihat momen nominal pada balok mengalami penurunan 73,067% pada tahun ke 100 akibat korosi pda tulangan baja. IV. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan Dari pembahasan yang sudah dilakukan, dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut: 1. Pengurangan luasan tulangan akibat korosi sampai seratus tahun hanya menyisakan tulangan sebesar 70,038% untuk tulangan #22. 2. Kapasitas balok dalam memikul beban sampai
batas lendutan ijin yang awalnya 44.289 N menurun sebesar 36.120 N (81,555%) pada tahun ke 100. 3. Pada saat balok melendut sampai batas lendutan ijin -9,167 mm jumlah retak pada balok pada tahun ke 0 sebanyak 76 dengan beban 44.289 N dan pada tahun berikutnya jumlah retak pada balok lebih banyak dengan beban yang lebih kecil. Begitu juga pada saat balok melendut 1,5 kali lendutan ijin 13,7505 mm, jumlah retak pada balok sebanyak 116 dengan beban 59.647 N dan pada tahun berikutnya jumlah retak pada balok bertambah dengan beban menurun. 4. Pada analisa tegangan material balok beton bertulang, pengaruh yang signifikan akibat korosi terjadi pada tulangan baja karena tengan baja pada tahun ke 100 mengalami kenaikan menjadi 319,934 MPa dengan beban 36.120 N yang awalnya 273,66 MPa dengan beban 44.289 N. 5. Momen nominal balok mengalami penurunan akibat korosi tulangan baja yang awalnya 74.400.262 N.mm menjadi 54.361.870 N.mm (73,067%) pada tahun ke 100. B. Saran Adapun saran yang dapat diberikan penulis adalah sebagai berikut: 1. Agar dilakukan penelitian mengenai hubungan kualitas tulangan dengan pengaruh korosi pada berbagai kondisi lingkungan agar memperkecil pengurangan luasan tulangan sehingga dicapai
[1] Al-Sulaimani, G.J., M. Kaleemullah, I.A. Basunbul and A. Razeeduzzafar, 1990. Influence of Corrosion and Cracking on Bond Behavior and Strength of Reinforced Concrete Members. ACI Struct. J., 87 , 630-638. [2] Bambang, A., Darmawan, S., & Irmawan, M. (2011). Studi Probabilitas Pengaruh Korosi Seragam Berbasis Waktu Terhadap Kehandalan Lentur Balok Beton Pratekan Parsial. Seminar Nasional VII 2011 Teknik Sipil ITS Surabaya, Penanganan Kegagalan Pembangunan dan Pemeliharaan Infrastruktur . [3] Stewart, M. G., & Mullard, J. A. (2006). Spatial TimeDependent Reliability Analysis Of Corrosion Damage and The Timing Of First Repair For RC Structures. Engineering Structures . [4] V. Val, D., & E. Melchers, R. (1997). Reliability of Deteriorating RC Slab Bridges. Journal of Structural Engineering , 1638-1644. [5] Wibowo, & Gunawan, P. (2007). Pengaruh Korosi Baja Tulangan Terhadap Kuat Geser Balok Beton Bertulang. Media Teknik Sipil .
