PERILAKU KEKUATAN DAN DAKTILITAS SILINDER BETON YANG DIBUNGKUS DENGAN GLASS FIBER REINFORCED POLYMER PADA SUHU TINGGI Butje Alfonsius Louk Fanggi Jurusan Teknik Sipil, Politeknik Negeri Kupang, Jl.Adi Sucipto-Penfui, Kupang-NTT Email:
[email protected]
ABSTRAK Makalah ini membahas perilaku kekuatan dan daktilitas silinder beton yang dibungkus dengan Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP) pada suhu tinggi. Empat dari enam buah silinder beton tak bertulang dengan kuat tekan 60 MPa pada umur 28 hari dibungkus dengan 1 dan 2 lapis GFRP. Setelah 30 hari dipanaskan dengan temperatur 700C dalam oven, silinder dites hingga hancur pada temperatur ruang dengan menggunakan beban tekan sentris. Hasil pengetesan ini selanjutnya dibandingkan dengan hasil pengetesan silinder yang ditempatkan dalam ruang dengan temperatur 20oC. Penelitian ini mengindikasikan bahwa temperatur tinggi 70oC tidak mempengaruhi kekuatan silinder beton baik yang tidak dibungkus maupun yang dibungkus dengan 1 dan 2 lapis GFRP, sebaliknya temperatur tinggi 70oC meningkatkan secara siknifikan daktilitas silinder beton baik yang tidak dibungkus maupun yang dibungkus dengan 1 dan 2 lapis GFRP sebesar 46.90%, 40.60%, dan 34.71% berturut-turut. Kata kunci: temperatur tinggi, kekuatan, daktilitas, beton mutu tinggi, dan silinder beton.
1.
PENDAHULUAN
Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP) adalah salah satu tipe dari Fiber Reinforced Polymer (FRP) selain, Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) dan Aramid Fiber Reinforced Polymer (AFRP). FRP dikenal sebagai material utama untuk memperkuat atau memperbaiki struktur beton karena memiliki kelebihan jika dibandingkan dengan material lain, seperti ringan, tahan terhadap korosi, tersedia dalam berbagai bentuk: batangan, lembaran, pita, dan memiliki ukuran yang sangat panjang sehingga mengurangi jumlah sambungan. Aplikasi FRP sebagai pembungkus eksternal pada struktur beton memiliki keunggulan jika dibandingkan dengan metode perkuatan atau perbaikan struktur konvensional lainnya seperti steel jacket. Keunggulannya adalah metode ini mudah diaplikasikan di lapangan, biaya murah, memiliki kekuatan tinggi, dan struktur yang diperkuat dengan FRP langsung dapat berfungsi setelah 24 jam (El-Hacha et al., 2010). Karena itu, aplikasi FRP sebagai pembungkus eksternal struktur beton telah dikenal luas sebagi metode perkuatan atau perbaikan struktur yang powerful (Sadhegian et al., 2010). Sementara itu, penelitian terhadap silinder beton yang dibungkus dengan FRP telah dilakukan pada lingkungan dengan temperatur ekstrim, seperti cuaca dingin, cuaca panas, siklus panas dingin, korosi, dan sebagainya. El-hacha et al. (2010) meneliti perilaku silinder beton tanpa penulangan yang dibungkus dengan lembaran FRP pada sebuah lingkungan yang keras seperti temperatur tinggi, siklus panas dan dingin, dan temperatur panas berkepanjangan. Temperatur tinggi diwakili oleh temperatur +45oC selama 40 hari, siklus panas dan dingin diwakili oleh temperatur +23oC sampai +45oC sebanyak 33 siklus, dan temperatur tinggi yang berkepanjangan diwakili oleh temperatur +45oC selama 70 hari. 36 silinder dengan ukuran diameter 150 cm dan tinggi 300 cm dicetak dan dites dengan menggunakan beban tekan aksial hingga silinder-silinder tersebut hancur. Sembilan silinder tidak dibungkus dan digunakan sebagai kontrol dan 24 silinder dibungkus dengan 2 lapis lembar CFRP. Setengah dari total silinder ditempatkan pada siklus panas dan dingin, kemudian ditempatkan pada siklus freeze-thaw pada temperatur -18oC sampai 23oC selama 33 siklus dan sisanya dibenamkan dalam air dingin pada temperatur +23oC selama 33 hari atau pada air asin pada temperatur +23OC selama 33 hari. Studi ini menunjukan bahwa tidak ada perbedaan yang siknifikan pada kekuatan dari silinder beton yang dibungkus maupun yang tidak dibungkus dengan FRP yang ditempatkan pada siklus panas dan dingin. Sedikit efek negatif nampak pada kuat tekan baik silinder yang dibungkus atau tidak dibungkus oleh FRP yang ditempatkan pada siklus freeze-thaw atau dibenamkan dalam air dingin atau air asin. Kekuatan silinder yang dibungkus yang ditempatkan pada temperatur panas berkepanjangan juga tidak mengalami penurunan. Green et al. (2006) meneliti perilaku beton yang dibungkus dengan FRP pada cuaca dingin, korosi, dan kebakaran. Selanjutnya cuaca dingin dibagi kedalam daerah temperatur rendah dan daerah freeze-thaw. Untuk tes daerah temperatur rendah, enam silinder (dua tidak dibungkus dan empat dibungkus dengan satu dan dua lapis CFRP-A) ditempatkan pada temperatur -180C selama 200 hari, kemudian dites pada temperatur ruang. Sementara sembilan silinder (tiga tidak dibungkus dan enam dibungkus) ditempatkan pada temperatur ruang sebagai spesimen kontrol, dan enam belas silinder (dibungkus dengan satu lapis CFRP-B dan dua lapis GFRP-A) ditempatkan pada temperatur SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5 Universitas Sumatera Utara, Medan - 14 Oktober 2011
S-1
Struktur -400C dan temperatur ruang selama 16 hari dan kemudian dites sesegera mungkin setelah dikeluarkan dari tempat pembekuan (-400C). Setiap silinder memiliki ukuran yang sama yaitu diameter 152 mm dan tinggi 305 mm, notasi A dan B menunjukan pabrik yang memproduksi material CFRP dan GFRP tersebut. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa silinder pada temperatur rendah yang dibungkus dengan CFRP-A tidak mengalami penurunaan kekuataannya bahkan mengalami peningkatan sebesar 14% pada temperatur -400C. Untuk freeze-thaw tes, 63 silinder dengan ukuran diameter 152 mm dan tinggi 305 mm dibungkus dengan CFRP-A dan GFRP-B ditempatkan pada 250 kali siklus freeze-thaw dimana satu siklus terdiri atas 16 jam pada udara dengan temperatur -180C dan 8 jam berada dalam air dengan temperatur +150C. Hasil penelitian ini menunjukan bahwa silinder yang dibungkus dengan CFRP dan GFRP mengalami penurunan kekuatannya sebesar kurang dari 10% dan 15% sementara silinder yang tidak dibungkus mengalami penurunan kekuatan lebih lebih dari 50%. Dari penelitian di atas dan beberapa penelitian yang tersedia dalam berbagai literatur dapat disimpulkan bahwa perilaku beton yang dibungkus dengan FRP pada suhu antara +45oC sampai -40oC cukup dikenal dengan baik, dimana penggunaan FRP sebagai pembungkus eksternal akan meningkatkan kekuatan dan daktalitas beton yang dibungkus namun juga terindikasi adanya degradasi pada matrix FRP pada temperatur tinggi. Karena itu, tujuan dari penelitian ini adalah untuk meniliti efek temperatur tinggi terhadap perilaku silinder beton yang dibungkus dengan GFRP khususnya kekuatan dan daktilitasnya.
2.
METODE
Beton yang digunakan adalah beton mutu tinggi dengan kuat tekan 60 MPa pada umur 28 hari. Beton dipesan dari suplayer lokal dalam bentuk cair dan dicetakan menjadi silinder beton tak bertulang didalam laboratorium. Ukuran Silinder adalah diameter 100 mm dan tinggi 200 mm. Sehari setelah dicetak, cetakan silinder dilepas dan beton direndam dalam bak air untuk proses hidrasi selama 28 hari. Setelah proses hidrasi berakhir, seluruh silinder dikeluarkan dan 4 diantaranya dibungkus dengan 1 dan 2 lapis GFRP. Setelah itu, silinder dipisahkan kedalam dua kelompok yaitu kelompok silinder yang dipanaskan dengan temperatur 700C selama 30 hari dengan menggunakan oven dan silinder yang ditempatkan dalam ruang dengan temperatur 20oC selama 30 hari. Masing-masing kelompok terdiri atas 3 buah silinder yaitu 1 silinder tidak dibungkus dengan GFRP, 1 silinder dibungkus dengan 1 lapis GFRP, dan 1 silinder dibungkus dengan 2 lapis GFRP. Detail silinder dapat dilihat pada tabel 1. Tabel 1. Detail silinder Temperatur Temperatur ruang (200C) Temperatur tinggi (700C)
Simbol U0R G1R G2R U0P G1P G2P
Keterangan Silinder tidak dibungkus dengan GFRP pada temperatur ruang Silinder dibungkus dengan 1 lapis GFRP pada temperatur ruang Silinder dibungkus dengan 2 lapis GFRP pada temperatur ruang Silinder tidak dibungkus dengan GFRP pada temperatur tinggi berkepanjangan Silinder dibungkus dengan 1 lapis GFRP pada temperatur tinggi berkepanjangan Silinder dibungkus dengan 2 lapis GFRP pada temperatur tinggi berkepanjangan
Untuk membungkus permukaan silinder beton dengan GFRP digunakan campuran antara epoxy resin dan hardener dengan perbandingan 1:5. Perbandingan ini akan menghasilkan ikatan yang sempurna antara GFRP dan beton setelah 24 jam. Sebelum dibungkus, silinder dikeringkan dengan cara diangin-anginkan dan permukaannya dibersihkan dari debu. GFRP yang digunakan berbentuk pita dengan lebar 10 cm. Silinder yang dibungkus dengan 2 lapis GFRP, pembungkusannya dilakukan secara bertahap dimana lapisan ke 2 dilakukan setelah 30 menit lapisan pertama dilekatkan. Rentang waktu ini akan memberikan lekatan yang cukup pada lapisan pertama sehingga tidak bergeser saat lapisan kedua diaplikasikan. Detail dari pembungkusan dapat dilihat pada gambar 1 dibawah.
S-2
SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5 Universitas Sumatera Utara, Medan - 14 Oktober 2011
Struktur
Gambar 1. Detail pembukusan GFRP pada permukaan Silinder Pengetesan dilakukan setelah 30 hari silinder berada dalam dalam oven dengan temperatur 70oC dan ruang dengan temperatur 20oC. Pengetesan dilakukan dengan menggunak mesin kuat tekan dengan kapasitas 500 Ton. Beban diaplikasikan secara sentris terpusat dengan strain rate sebesar 0.2 mm/detik pada permukaan atas silinder. Sebelum beban diaplikasikan, bagian atas atau bawah silinder yang tidak rata dicapping dengan menggunakan campuran antara plaster dan air dengan perbandingan 3.5:1. Perbandingan ini menghasilkan kekuatan capping setara dengan 80 Mpa. Data yang dihasilkan dari pengetesan adalah beban dan deformasi aksial.
3.
HASIL PENELITIAN
Silinder yang tidak dibungkus dengan GFRP Hasil pengetesan silinder beton yang tidak dibungkus dengan GFRP berupa kurva hubungan antara beban dan deformasi aksial dapat dilihat pada Gambar 2 dibawah ini.
U0P U0P ) (kN an b e B
Deformasi aksial (mm) Gambar 2. Kurva beban-deformasi aksial silinder yang tidak dibungkus dengan GFRP
Silinder yang dibungkus dengan 1 lapis GFRP Hasil pengetesan silinder beton yang dibungkus dengan 1 lapis GFRP berupa kurva hubungan antara beban dan deformasi aksial dapat dilihat pada Gambar 3 dibawah ini.
SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5 Universitas Sumatera Utara, Medan - 14 Oktober 2011
S-3
Struktur
G1R G1P ) (kN an b e B
Deformasi aksial (mm) Gambar 3. Kurva beban-deformasi aksial silinder yang dibungkus dengan 1 lapis GFRP
Silinder yang dibungkus dengan 2 lapis GFRP Hasil pengetesan silinder beton yang tidak dibungkus dengan GFRP berupa kurva hubungan antara beban dan deformasi aksial dapat dilihat pada Gambar 4 dibawah ini.
G2R G2P ) (kN an b e B
Deformasi aksial (mm) Gambar 4. Kurva beban-deformasi aksial silinder yang dibungkus dengan 2 lapis GFRP
4.
PEMBAHASAN HASIL
Silinder yang tidak dibungkus dengan GFRP Kekuatan silinder ditunjukan oleh besarnya beban maksimum yang dicapai oleh silinder. Beban maksimum yang dicapai oleh silinder yang tidak dibungkus dengan GFRP yang ditempatkan dalam temperatur ruang 20oC (U0R) dan oven dengan temperatur 70oC (U0P) ditampilkan dalam Tabel 3 dibawah ini. Berdasarkan tabel ini, beban maksimum yang dicapai oleh silinder U0P lebih rendah dari yang dicapai oleh silinder U0R atau turun sebesar 1.04% . Tabel 2. Beban maksimum silinder U0R dan U0P Silinder U0R U0P
Beban maksimum (kN) 749.955 742.144
Rasio beban maksimum U0P terhadap U0R (%) -1.04
Tabel 3 menampilkan daktilitas displacement dari silinder U0R dan U0P atau dari silinder yang ditempatkan pada temperatur 20oC dan 70oC. Daktilitas ini dihitung berdasarkan ratio antar displacement ultimit dan displacement yield. Berdasarkan tabel ini, Daktilitas yang dicapai silinder U0P jauh lebih besar dari daktilitas yang dicapai silinder U0R atau meningkat cukup signifikan sebesar 46.90%. Tabel 3. Daktilitas silinder U0R dan U0P Silinder U0R U0P S-4
Daktilitas 1.13 1.66
Rasio daktilitas U0P terhadap U0R (%) 46.90
SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5 Universitas Sumatera Utara, Medan - 14 Oktober 2011
Struktur
Silinder yang dibungkus dengan 1 lapis GFRP Beban maksimum yang dicapai oleh silinder yang dibungkus dengan 1 lapis GFRP yang ditempatkan dalam temperatur ruang 20oC (G1R) dan oven dengan temperatur 70oC (G1P) ditampilkan dalam Tabel 4 dibawah ini. Tabel ini menunjukan bahwa beban maksimum yang dicapai oleh silinder U0P lebih besar dari silinder U0R atau meningkat sebesar 0.31%. Tabel 4. Beban maksimum silinder G1R dan G1P Silinder G1R G1P
Beban maksimum (KN) 846.220 848.877
Rasio beban maksimum G1P terhadap G1R (%) 0.31
Daktilitas displacement yang dicapai oleh silinder G1R (silinder yang ditempatkan pada temperatur 20oC) dan G1P (silinder yang ditempatkan pada temperatur 70oC) ditampilkan pada Tabel 5. Berdasarkan tabel ini, daktilitas yang dicapai silinder G1P jauh lebih besar dari daktilitas yang dicapai silinder G1R atau meningkat cukup signifikan sebesar 40.60%. Tabel 5. Daktilitas silinder G1R dan G1P Silinder G1R G1P
Daktilitas 1.33 1.87
Rasio daktilitas G1P terhadap G1R (%) 40.60
Silinder yang tidak dibungkus dengan 2 lapis GFRP Tabel 6 menampilkan beban maksimum yang dicapai oleh silinder yang dibungkus dengan 2 lapis GFRP yang ditempatkan dalam temperatur ruang 20oC (G2R) dan oven dengan temperatur 70oC (G2P). Berdasarkan tabel ini, beban maksimum yang dicapai oleh silinder G2P lebih besar 3.20% dari yang dicapai silinder U0R. Tabel 6. Beban maksimum silinder G2R dan G2P Silinder G2R G2P
Beban maksimum (KN) 1342.990 1385.935
Rasio beban maksimum G2P terhadap G2R (%) 3.20
Selanjutnya daktilitas displacement yang dicapai oleh silinder G2R (silinder yang ditempatkan pada temperatur 20oC) dan G2P (silinder yang ditempatkan pada temperatur 70oC) ditampilkan pada Tabel 7. Tabel ini menunjukan daktilitas yang dicapai silinder G2P jauh lebih besar dari daktilitas yang dicapai silinder G2R atau meningkat cukup signifikan sebesar 34.71% dari daktilitas yang dicapai silinder G2R. Tabel 7. Daktilitas silinder G2R dan G2P Silinder G2R G2P
5.
Daktilitas 1.21 1.63
Rasio daktilitas G2P terhadap G2R (%) 34.71
KESIMPULAN
Berdasarkan pembahasan diatas, dapat disimpulkan hal-hal sebagai berikut: 1. 2.
Temperatur tinggi 70oC tidak mempengaruhi kekuatan silinder beton baik yang tidak dibungkus maupun yang dibungkus dengan 1 dan 2 lapis GFRP. Temperatur tinggi 70oC meningkatkan secara siknifikan daktilitas silinder beton baik yang tidak dibungkus maupun yang dibungkus dengan 1 dan 2 lapis GFRP.
DAFTAR PUSTAKA El-Hacha, R., Green, M. F., and Wight, G. R. (2010), “Effect of severe environmental exposure on CFRP wrapped concrete columns”, Journal of composites for construction, Vol. 14, No.1, February 1, 2010, pp. 83-88. Green, M. F., Bisby, L. A., and Kodur, V. K. R. (2006), “FRP confined concrete columns: behavior under extreme condition”, Cement and concrete composites, Vol. 28, pp. 928-937. Sadeghian, P., Rahai, A. R., and Ehsani, M. R. 2010, “Experimental study of rectangular columns strengthened with CFRP composites under eccentric loading”, Composite for construction, January 2010, pp. 1-20.
SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5 Universitas Sumatera Utara, Medan - 14 Oktober 2011
S-5
Struktur
S-6
SEMINAR NASIONAL-1 BMPTTSSI - KoNTekS 5 Universitas Sumatera Utara, Medan - 14 Oktober 2011
