Studi Numerik Pada Beton Yang Rusak Menggunakan Metode ImpactEcho (Pengetesan Non-destructive) Erma Dwi Cahyani1,2*, Ta-Peng Chang2, Triwulan1, Bo-Tsun Chen2 1
Departemen Teknik Sipil, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS), Surabaya, Indonesia, 2Departemen Teknik Sipil, National Taiwan University of Science and Technology (NTUST), Taipei, Taiwan. 1 Kedung Anyar 8 No. 30 Surabaya, 60251, Jawa Timur, Indonesia. 2 43 sec. 4 Keelung Rd, Taipei, Taiwan. Tel : +886921521834 Email :
[email protected]
Abstrak— Sifat bahan pada beton yang rusak akibat peningkatan suhu akan berubah secara bertahap dari permukaan beton yang rusak hingga bagian beton aslinya. Teknik tradisional pada metode Impact-Echo untuk menentukan kecepatan gelombang primer (P-wave) pada permukaan beton perlu dimodifikasi mengikuti terjadinya perubahan sifat bahan beton. Penelitian ini menggunakan hasil numeric dari metode elemen hingga untuk mengusulkan metode yang dapat digunakan untuk menilai tingkat kerusakan pada beton yang berubah sesuai jarak terhadap permukaan yang terbakar akibat adanya perubahan kecepatan gelombang primer (P-wave) pada beton. Simulasi numerik menggunakan analisa metode elemen hingga program menggunaka program LS-DYNA. Penelitian ini menggunakan simulasi kebakaran dengan suhu 600oC pada pelat berukuran 500x1000x1000 mm yang dikenai beban menggunakan element 2-D dengan deformasi aksial seragam. Variasi perubahan sifat bahan pada beton digambarkan dalam empat lapis kedalaman dengan sifat bahan yang berbeda yaitu pada kedalaman 10, 20, 30, 40, dan 50 cm. Kata kunci: Impact-Echo, metode pengujian tidak merusak pada beton, beton rusak, simulasi numerik, kebakaran.
I.
PENDAHULUAN
‘Impact-echo’ adalah salah satu metode ‘nondestructive test’ yang digunakan untuk mendeteksi cepat rambat gelombang pada material. Pengetesan impactecho pada beton dilakukan pada permukaannya dengan memberikan pukulan dan mendeteksinya dengan sensor tanpa harus merusak beton itu sendiri. Metode impactecho yang selama ini dilakukan perlu dimodifikasi agar dapat digunakan untuk mendeteksi kondisibeton yang tidak homogen karena secara alami beton sering mengalami segregasi. Bahkan akan berubah drastic apabila terjadi kerusakan beton akibat kebakaran Beton tidak dapat dibakar seperti material lain dan tidak berasap ketika dibakar. [1]. Oleh karena itu concrete disebut mempunyai ketahanan tinggi terhadap api. Meskipun tingkat ketahanannya tinggi namun beton dapat mengalami kerusakan ketika berada pada suhu yang tinggi dengan waktu yang lama.
Sifat material beton akan berubah dari permukaan sumber panas terhadap sisi lainnya. Salah satu bentuk kerusakan yang sering terjadi akibat adanya pemanasan pada beton adalah penurunan kondisi secara bertahap atau ‘layering’. Pemeriksaan secara visul tidak akan cukup untuk mendapatkan informasi kondisi didalam beton. Methode tradisional yang sering digunakan untuk melakukan pengetesan pada beton adalah metode yang merusak atau ‘destructive’ tes seperti.core yang akan mengambil bagian dari bangunan untuk dilakukan pengetesan dan dapat melihat kondisi bagian internal beton. Namun metode ini memerlukan waktu dan mahal serta akan meninggalkan bekas pada bangunan [2]. ‘Impact-echo’ adalah metode evaluasi kondisi beton dengan menggunakan suara yang berasal dari pukulan sehingga menyebabkan adanya gelombang tekan yang melalui struktur dan akan dipantulkan bila terdapat retak atau void serta dipantulkan pula oleh permukaan luar dari sisi lain tempat terjadinya pengetesan [2]. Terdapat dua prosedur yang harus dilakukan pada impact-echo sesuai dengan ASTM C-1383. Dalam peraturan tersebut dikatakan bahwa prosedur A adalah pengukuran terhadap cepat rambat gelombang material dan prosedur B adalah pengukuran ketebalan beton. Prosedure A: pengukuran terhadap cepat rambat gelombang primer material. Prosedur A mengukur cepat rambat gelombang primer pada material dengan menggunakan pukulan sesaat yang melihat waktu perambatan yang dibutuhkan gelombang primer tersebut pada suatu jarak tertentu. Cepat rambat gelombang primer ditentukan oleh jarak antara 2 penerima gelombang dengan waktu tempuhnya. Procedure B: pengukuran ketebalan beton atau impact-echo. Prosedur B mengukur frequency yang terjadi akibat adanya gelombang primer. Gelombang yang terjadi akan dipantulkan pada sisi permukaan lainnya dari pelat. Tebal beton dapat diukur dari combinasi frequency yang didapatkan dan cepat rambat gelombang primer material dari prosedur A.
E-9 Seminar Nasional Aplikasi Teknologi Prasarana Wilayah 2011
Langkah pertama dalam penelitian ini adalah mendeteksi cepat rambat gelombang primer material pada beton dengan penurunan secara bertahap akibat adanya pemanasan pada satu sisi sehingga mengakbatkan penurunan yang cukup signifikan dari satu sisi dan penurunan yang tidak signifikan bahkan tidak terjadi penurunan pada sisi yang lain. Model ini disebut ‘multilayer’ model karena penurunannya secara bertahap. Pemahaman terhadap perilaku beton multlayer dilakukan secara numerik. Flowchat pada penelitian ini digambarkan pada gambar 3. Gambar 1: Skema gambar pada pengetesan prosedur A.[3]
Gambar 2: Skema gambar pada pengetesan prosedur B.[3] Impact-echo method telah berhasil digunakan sebagai control kualitas dan evaluasi pada struktur beton. Perambatan gelombang yang terjadi dapat digunakan untuk memperkirakan karakteristik dari beton terutama dalam penentuan kedalaman retak, void dan memperkirakan tebal dari plate beton menggunakan analisa frequency pada gelombang. [4], [5], [6]. Kecepatan gelombang pada material tergantung pada modulus elastisitas (E), berat volume atau density (ρ), dan Poisson’s ratio (ν). Cepat rambat gelombang primer yang merambat pada material solid dirumuskan dengan persamaan (1) : [2].
Cp =
E (1 −ν ) ρ (1 + ν )(1 − 2ν )
(1)
Gambar 3: Flowchart Penelitian. Modulus elastisitas, berat volume atau density, dan poisson’s ratio dari beton yang tidak rusak adalah 33.1 GPa, 2300 kg/m3, dan 0.2, secara berurutan. Terdapat 5 model untuk mensimulasikan penurunan kondisi beton akibat adanya pemanasan pada satu sisi. Terdapat 12 jenis material pada kelima model seperti pada tabel 1 hingga tabel 5.
Dimana : E adalah modulus elastisitas (GPa), ρ adalah berat volume atau density (kg/m3), ν adalah Poisson’s ratio, Cp adalah cepat rambat gelombang Primer (m/s).
II.
METODE
Penelitian ini menggunakan simulasi numeric untuk menggambarkan kondisi pemanasan pada satu sisi pelat. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk memahami tingkat keakuratan metode impact-echo dalam mendeteksi cepat rambat gelombang beton yang tidak homogen
E-10
ISBN: 978-979-18342-3-0
Tabel 1: Kondisi Material Beton Dengan 10 cm dari Kedalaman Telah Berkurang
Tabel 3: Kondisi Material Beton Dengan 30 cm dari Kedalaman Telah Berkurang
Poisson ratio
Cepat Rambat Gelombang Primer (m/s)
0.06
1057.587
0.08
1678.276
0.1
2133.711
0.12
2512.513
0.13
2841.166
0.15
3151.983
0.17
3454.245
0.18
3720.336
33.1
0.2
3998.792
33.1
0.2
3998.792
Cepat Rambat Gelombang Primer (m/s)
No. lapisan
Density (kg/m3)
E (GPa)
1057.587
1
2288.447
2.54
2133.711
2
2289.892
6.36
2841.166
3
2291.336
10.2
3454.245
4
2292.78
14
No. lapisan
Density (kg/m3)
E (GPa)
Poisson ratio
1
2288.447
2.54
0.06
2
2291.336
10.2
0.1
3
2294.224
17.8
0.13
4
2297.112 2300
25.5
0.17
33.1
0.2
3998.792
5
2294.224
17.8
33.1
0.2
3998.792
6
2295.668
21.6
33.1
0.2
3998.792
7
2297.112
25.5
33.1
0.2
3998.792
8
2298.556
29.3
33.1
0.2
3998.792
9
33.1
0.2
3998.792
5
2300
6
2300
7
2300
8
2300
9
2300
10
Tabel 2: Kondisi Material Beton Dengan 20 cm dari Kedalaman Telah Berkurang
No. lapisan
Poisson ratio
Cepat Rambat Gelombang Primer (m/s)
Density (kg/m3)
E (GPa)
1
2288.447
2.54
0.06
1057.587
2
2294.224
17.8
0.13
2841.166
2300 2300
10
Tabel 4: Kondisi Material Beton Dengan 40 cm dari Kedalaman Telah Berkurang Cepat Rambat Gelombang Primer (m/s)
No. lapisan
Density (kg/m3)
E (GPa)
Poisson ratio
1
2288.447
2.54
0.06
2
2291.336
10.2
0.1
3
2292.78
14
0.12
4
2294.224
17.8
0.13
5
2295.668
21.6
0.15
2297.112
25.5
0.17
33.1
0.2
3998.792
33.1
0.2
3998.792
33.1
0.2
3998.792
33.1
0.2
3998.792
3
2300
33.1
0.2
3998.792
4
2300
33.1
0.2
3998.792
5
2300
33.1
0.2
3998.792
6
2300
33.1
0.2
3998.792
7
2300
33.1
0.2
3998.792
6
8
2300
33.1
0.2
3998.792
7
9
2300
33.1
0.2
3998.792
8
10
2300
33.1
0.2
3998.792
9 10
2300 2300 2300 2300
1057.587 2133.711 2512.513 2841.166 3151.983 3454.245
E-11 Seminar Nasional Aplikasi Teknologi Prasarana Wilayah 2011
Tabel 5: Kondisi Material Beton Dengan 50 cm dari Kedalaman Telah Berkurang
No. lapisan 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Density (kg/m3)
E (GPa)
Poisson ratio
Cepat Rambat Gelombang Primer (m/s)
2288.447
2.54
0.06
1057.587
2289.892
6.36
0.08
1678.276
2290.614
8.28
0.09
1918.403
2291.336
10.2
0.1
2133.711
2292.058
12.1
0.11
2329.518
2292.78
14
0.12
2512.513
2294.224
17.8
0.13
2841.166
2294.946
19.7
0.14
2999.007
2295.668
21.6
0.15
3151.983
2297.112
25.5
0.17
3454.245
Simulasi numeric menggunakan software komersial untuk analisa finite elemen yaitu ANSYS LS-DYNA. Dimensi dari model yaitu tebal 500 mm dan panjang 1000 mm. Model ini digunakan untuk mensimulasikan pelat beton dengan pemanasan pada satu sisi pada dengan beban pukulan untuk temperature 600oC mensimulasikan impact echo adalah 2 dimensi dengan element axisimetry. Sebagai tambahan, ukuran mesh pada masing-masing elemen adalah 0.0001 × 0.0001 m. Berat volume atau density, modulus elastisitas, dan Poisson ratio pada suhu 600oC secara berurutan adalah 0.995 kali, 0.076 kali, dan 0.323 kali dari kondisi beton yang tidak rusak. Variasi kedalaman kerusakan baeton pada model penelitian kali ini adalah 10, 20, 30, 40, and 50 cm. Model digambarkan pada gambar 4 dimana data kondisi material ditunjukkan pada table 1 hingga table 5.
Gambar 3: Model dari Beton yang Tidak Rusak dan Model untuk mensimulasikan multilayer beton akibat pemanasan pada salah satu permukaan beton.
III.
primer (Cp) menunjukkan bahwa beda hasil nilai Cp antara simulasi numeric dan teori adalah 0.841 %. Nilai tersebut kurang dari 1 %, maka model numerik dari simulasi ini dapat digunakan pad langkah selanjutnya yaitu pada multilayer. Cepat rambat gelombang primer (Cp) pada model secara teori dapat dihitung dengan persamaan (1) yaitu sebesar 4000 m/s. Cepat rambat gelombang primer (Cp) pada model multilayer dengan variasi kedalaman kerusakan ditampilkan pada table 1 hingga table 5. Hasil dari simulasi numerik ditampilkan pada table 6. Hasil numerik menunjukkan bahwa cepat rambat gelombang pada beton multilayer tersdeteksi menurun secara signifikan sebesar 20.35 %, 76.85 %, 93.52 %, 145.78 %, 159.51 % secara berurutan untuk kedalaman kerusakan 10 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm, and 50 cm ketika pengukuran dilakukan pada sisi beton yang mengalami kerusakan. Penelitian ini juga melakukan pengujian terhadap sisi yang tidak mengalami pemanasan. Hasil menunjukkan bahwa penurunan tidak lebih dari 1 % permukaan yang diuji. Hal tersebut terjadi pada kelima model dengan kedalam kerusakan yang berbeda beda.
Tabel 6. Hasil dari Simulasi Numerik sesuai prosedur ASTM C-1383 dengan jarak antara pukulan dan penerima gelombang pertama adalah 150 mm dan jarak antara penerima gelombang pertama dan kedua adalah 300 mm. 150 mm – 300 mm
Pengu kuran di sisi B
Persentas e perbedaa n cepat rambat gelomba ng primer numerik saat diuji pada sisi beton yang tidak rusak (%)
Kedal aman kerusa kan (cm)
Kasus
Pengukura n di sisi A
Persentase perbedaan cepat rambat gelomban g primer numerik saat diuji pada sisi beton yang rusak (%)
0
Tidak rusak
4032.70
0.84
4032. 70
0.841
10
kasus1
3322.74
20.35
4032. 70
0.841
20
kasus 2
2261.15
76.85
4032. 70
0.841
30
kasus 3
2066.36
93.52
4032. 67
0.840
40
kasus 4
1626.97
145.78
4032. 67
0.840
50
kasus 5
1540.91
159.51
3491. 27
0.840
HASIL DAN PEMBAHASAN
Simulasi numerik dilakukan pada beton yang tidak rusak atau satu lapis saja dengan asumsi bahwa beton dalam kondisi homogen. Hasil cepat rambat gelombang E-12
ISBN: 978-979-18342-3-0
3322.74 m/s
4032.7 m/s
Gambar 4: Kasus 1 saat pengukuran disisi A Gambar 7: Kasus 2 saat pengukuran disisi B
4032.7 m/s 2066.36 m/s
Gambar 5: Kasus 1 saat pengukuran disisi B
Gambar 8: Kasus 3 saat pengukuran disisi A
4032.7 m/s
2261.15 m/s
Gambar 6: Kasus 2 saat pengukuran disisi A Gambar 9: Kasus 3 saat pengukuran disisi B
E-13 Seminar Nasional Aplikasi Teknologi Prasarana Wilayah 2011
3491.27 m/s 1626.97 m/s
Gambar 10: Kasus 4 saat pengukuran disisi A Gambar 13: Kasus 5 saat pengukuran disisi B Penelitian ini juga mencoba untuk memodifikasi jarak antara pukulan dan kedua penerima glombang. Jarak antara pemukul dan penerima gelombang pertama diubah dari 150 mm menjadi 200 mm dan jarak antara penerima gelombang pertama dan penerima gelombang kedua diubah dari 300mm menjadi 200 mm. Sehingga dapat mengurango jumlah total yang ditetapkan pada ASTM C1383 sebanyak 50 mm dari 450 mm menjadi 400 mm.
4032.7 m/s
Hasil simulasi numerik menggunakan ASTM C-1383 namun dengan modifikasi jarak menjadi 200 mm dan 200 mm cukup dekat. Namun, ketika pengukuran dilakukan dari permukaan beton yang rusak, hasil numeriknya lebih dekat dengan teori daripada menggunakan ASTM C1383 seperti ditunjukkan pada table 7. Tabel 7. Hasil dari Simulasi Numerik sesuai prosedur ASTM C-1383 dengan jarak antara pukulan dan penerima gelombang pertama adalah 200 mm dan jarak antara penerima gelombang pertama dan kedua adalah
Gambar 11: Kasus 4 saat pengukuran disisi B
200 mm – 200 mm
1540.91 m/s
Gambar 12: Kasus 5 saat pengukuran disisi A
Keda lama n kerus akan (cm) Kasus 0
Tidak rusak
10
kasus1
20
kasus 2
30
kasus 3
40
kasus 4
50
kasus 5
Penguku ran di sisi A
Persenta se perbedaa n cepat rambat gelomba ng primer numerik saat diuji pada sisi beton yang rusak (%)
Penguku ran di sisi B
Persentase perbedaan cepat rambat gelombang primer numerik saat diuji pada sisi beton yang tidak rusak (%)
4032.71
0.84
4032.71
0.841
3382.26
18.23
4032.71
0.841
2370.99
68.66
4032.71
0.841
2149.52
86.03
4032.65
0.840
1747.47
128.83
4032.65
0.840
1659.12
141.02
3481.29
0.840
200 mm. E-14
ISBN: 978-979-18342-3-0
IV.
Kesimpulan berikut ini ditulis derdasarkan hasil data simulasi numerik : 1.
DAFTAR PUSTAKA
KESIMPULAN
Cepat rambat gelombang primer pada beton berkurang secara signifikan terhadap kondisi beton terbaik sebesar 20.35 %, 76.85 %, 93.52 %, 145.78 %, 159.51 % secara berurutan untuk 5 kasus kedalaman yang berbeda yaitu 10 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm, 50 cm ketika beton diukur dari bagian permukaan yang rusak.
2.
Cepat rambat gelombang primer pada beton berkurang tidak lebih dari 1% dari permukaan beton yang terukur ketika beton diukur dari permukaan yang tidak rusak.
3.
Modifikasi jarak antara pukulan dan penerima gelombang pertama, penerima gelombang pertama dan penerima gelombang kedua menjadi 200 mm dan 200 mm yang akan mengurangi 50 mm dari total jarak yang diinginkan pada ASTM C-1383. Namun, cepat rambat gelombang primer yang terdeteksi lebih dekat dengan hasil teori.
[1]
[2] [3]
Jeremy Ingham. (2009). Forensic Engineering of Fire-Damaged Structure. Proceedings of Ice Civil Engineering 162 May, Pages 12–17. Halcrow, London. Sansalone, Mary J., William B. Streett. (1997). Nondestructive Evaluation of Concrete and Mansory, Cornell university Standard Test Method for Measuring the P-Wave Speed and the Thickness of Concrete Plates Using the Impact-Echo Method (1999). AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS (ASTM C-1383). West Conshohocken.
W. Brameshuber and M. Willmes, Quality control of concrete tunnel shells using impact echo methods, Insight 39 (7) (1997), pp. 479–481 [5] Ch Maierhofer, M. Krause and H. Wiggenhauser, Non-destructive investigation of sluices using radar and ultrasonic impulse echo, NDT E Int 31 (6) (1998), pp. 421–427. [6] M.R. Cho, H.S. Lee, H.H. Kim and K.B. Kim, Finite element analysis of the impact-echo testing at a concrete slab with complex boundary conditions, Kor J Civil Eng 9 (2) (2005), pp. 113–117. [7] Sansalone, Mary J.(1997), Impact-Echo : The Complete Story, ACI Structural Journal, Title no. 94-S71 I, November – December. [4]
[8]
J. Clerk Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism, 3rd ed., vol. M. Young, The Technical Writer's Handbook. Mill Valley, CA.
E-15 Seminar Nasional Aplikasi Teknologi Prasarana Wilayah 2011
Halaman ini sengaja dikosongkan
E-16
ISBN: 978-979-18342-3-0
