Perilaku Lentur dan Lebar Retak Beton Serat Kinerja Tinggi (HPFRC) pada Pelat Satu Arah

Krisnamurti, - and Prof. Dr. Ir. Agoes Soehardjono,, MS and Dr. Eng. Achfas Zacoeb,, MS and Ari Wibowo,, ST., MT., Ph.D (2019) Perilaku Lentur dan Lebar Retak Beton Serat Kinerja Tinggi (HPFRC) pada Pelat Satu Arah. Doktor thesis, Universitas Brawijaya.

Abstract

Beton serat kinerja tinggi (High-Performance Fiber-Reinforced Concrete atau HPFRC) telah berkembang sebagai bahan struktur modern dengan karakteristik rheologi dan mekanik yang unik. Persamaan empiris untuk memprediksi sifat beton atau merancang elemen struktur saat ini masih didasarkan pada hasil uji beton normal. Oleh karena itu diperlukan penilaian ulang dalam rangka penerapan persamaan tersebut pada beton kinerja tinggi. Salah satu komponen dasar memproduksi beton kinerja tinggi (High-Performance Concrete – HPC) adalah semen portland jenis I (Ordinary Portland cement - OPC). Pada kenyataannya, semen yang beredar di Indonesia adalah jenis Semen Portland Pozolan. Sementara itu Standar Nasional Indonesia tentang beton serat kinerja tinggi hingga saat ini belum diterbitkan. Penelitian perilaku mekanik beton serat kinerja tinggi dapat digunakan untuk mengembangkan model konstitutif retakannya. Lebar retak sebagai indikator dari keadaan struktur sangat bervariasi. Lebar retak harus diamati untuk menentukan apakah perilaku struktur dan kekuatannya memuaskan. Namun, prediksi atau pengukuran yang akurat dari lebar retak dalam elemen beton struktural sulit untuk dicapai di lapangan. Penelitian ini bertujuan untuk: (1) Mengembangkan metode untuk mencapai kualitas beton serat kinerja tinggi melalui rekayasa proporsi bahan penyusun beton di Indonesia. (2) Mengidentifikasi perilaku lentur dan perilaku retak beton serat kinerja tinggi pada pelat satu arah yang dipengaruhi oleh pengaruh lekatan (bond effect) antara beton serat kinerja tinggi dan baja tulangan yang diberi perlakuan berupa variasi komposisi serat baja. (3) Mengembangkan persamaan lebar retak maksimum yang dipengaruhi sifat mekanik dan faktor geometri beton serat kinerja tinggi pada pelat satu arah. Penelitian dilaksanakan dengan melakukan pengujian sifat bahan dan serangkaian percobaan untuk merancang campuran beton serat kinerja tinggi yang memenuhi kriteria fc' antara 50 MPa - 75 MPa dengan mempergunakan semen Portland Pozzolan, silika fume, serat baja, superplastisizer dan bahan agregat yang sering digunakan di kalangan masyarakat jasa konstruksi. Kajian eksperimen dilakukan terhadap pelat HPFRC satu arah setelah parameter fisik dan mekanis bahan penyusun pelat HPFRC diperoleh melalui serangkaian uji laboratorium. Kajian perilaku mekanis pelat HPFRC dilakukan melalui analisis gaya dalam berdasar data pengujian lentur pelat HPFRC. Analisis lebar retak pelat HFPRC dilakukan dengan metode linear elastic fracture mechanics. Hasil yang didapat menunjukkan bahwa mix design campuran beton mutu tinggi menggunakan metode volume absolut, dengan batasan berupa rasio air – bahan pengikat (W/B ratio) sebesar 0,23 dan diameter maksimal kerikil 19 mm serta variasi kadar silika fume antara 0% hingga 15% terhadap berat semen mampu menghasilkan kuat tekan beton antara 64,84 MPa hingga 70,10 MPa. Dengan perbandingan komposisi Semen PPC : Pasir: Kerikil: Silika Fume: Air: Superplastisizer sebesar 1: 1,328: 1,76: 0,08: 0,213: 0,022 yang diusulkan, kuat tekan rata-rata optimum yang dapat dicapai secara teoritis adalah sebesar 70,70 MPa. Pada awal proses pengecoran, sebagian superplastisizer dicampur ke dalam air pencampur. Kerikil, pasir, dan silika fume diaduk dalam mixer beton berkapasitas 350 liter selama kurang lebih 4 menit. Selanjutnya semen ditambahkan dan diaduk selama 3 menit hingga campuran terlihat berwarna coklat semen. Berikutnya air bercampur superplastisizer dituangkan ke dalam mixer dan diaduk selama 3 menit. Sisa superplastisizer dimasukkan ke dalam mixer dan setelah total waktu pengadukan 12 menit, campuran siap dituangkan ke dalam cetakan beton Perilaku lentur dan lebar retak yang terjadi pada pelat beton serat kinerja tinggi satu arah yang diberi perlakuan berupa penambahan kadar serat baja antara 0,4% hingga 1,0% dari berat volume benda uji dapat diuraikan sebagai berikut. Keruntuhan yang terjadi pada pelat HPFRC satu arah yang diuji menunjukkan terjadinya keruntuhan lentur, yaitu ditandai dengan pola retakan tegak lurus bidang datar di sisi bawah pelat yang dimulai dari tengah bentang. Dengan bertambahnya kadar serat baja, pelat HPFRC satu arah yang diuji mampu meningkatkan kinerjanya dalam bentuk menahan beban layan yang lebih besar pada saat runtuh. Peningkatan kinerja juga ditunjukkan oleh adanya kecenderungan peningkatan nilai kuat tekan rata-rata, modulus elastisitas, kuat tarik belah, kuat tarik cabut, maupun hasil pengujian lentur spesimen balok dan spesimen pelat. Pada saat beban layan yang terjadi semakin membesar, lendutan yang terjadi pada pelat justru mengalami penurunan. Hal ini disebabkan oleh meningkatnya kuat lekat (bond stress) antara beton serat kinerja tinggi dan baja tulangan sebagai pengaruh penggunaan serat baja. Peningkatan kuat lekat ini juga ditunjukkan oleh bertambahnya tegangan tarik baja maupun modulus of rupture (tegangan tarik lentur) beton pada saat pelat mengalami kegagalan lentur. Berdasarkan hasil pengujian lebar retak, idealisasi perilaku lebar retak pada pelat satu arah yang mengalami keruntuhan pelat sebelum terjadinya leleh baja tulangan menunjukkan pola linier. Sedangkan pada pelat yang baru mengalami keruntuhan setelah terjadinya leleh pada baja tulangan, perilaku lebar retaknya diidealisasikan dengan pola bilinier atau parabola. Dengan dimensi pelat yang sama, akibat dari peningkatan beban layan, lebar retak yang terjadi pada saat pelat HPFRC runtuh meningkat secara proporsional. Hal ini sesuai dengan hasil pengujian yang memperlihatkan bahwa penambahan serat juga diikuti dengan peningkatan pada hasil pengujian tegangan tekan ratarata, tegangan tarik belah, tegangan tarik cabut, tegangan tarik lentur (modulus of rupture), tegangan tarik baja, dan tegangan lekat. Dengan demikian peningkatan kinerja pelat HPFRC akibat penambahan kadar serat adalah berupa peningkatan kapasitas pelat untuk menahan beban layan, namun analisis lebar retak yang terjadi lebih dipengaruhi oleh sifat geometri atau dimensi dari elemen struktur yang diuji. Pola tegangan regangan yang digunakan untuk menghitung modulus elastisitas pada hasil pengujian kuat tekan benda uji silinder beton serat kinerja tinggi menunjukkan perilaku yang cenderung linier, hal ini berbeda dengan hasil analisis tegangan-regangan menurut persamaan Hognestad yang cenderung berbentuk parabola. Hasil analisis dengan metode linear elastic fracture mechanics (LEFM) yang menggunakan konfigurasi pelat HPFRC sebagai elemen lentur murni (PBE) dan konfigurasi pelat HPFRC sebagai elemen lentur tiga titik (TPB) menghasilkan prediksi lebar retak maksimum sekitar 67% apabila dibandingkan lebar retak maksimum menurut ACI 318 atau ACI 224.2R dan sekitar 117% apabila dibandingkan lebar retak maksimum menurut Eurocode 2, serta 157% apabila dibandingkan dengan lebar retak maksimum menurut AS 3600. Hasil ini bersesuaian dengan hasil uji lentur yang dilakukan. Untuk hasil analisis yang menggunakan konfigurasi reaksi hiperstatik tulangan F dan momen lentur M (F&M) diperoleh perbandingan nilai lebar retak maksimum pelat HPFRC sebesar 87% terhadap lebar retak maksimum menurut ACI 318 atau ACI 224.2R dan 151% terhadap lebar retak maksimum menurut Eurocode dan 204% terhadap lebar retak maksimum menurut AS 360. Hasil ini mendekati lebar retak maksimum menurut hasil analisis slip yang memiliki perbandingan 83% terhadap lebar retak maksimum menurut ACI 318 atau ACI 224.2R, 145% terhadap lebar retak maksimum menurut Eurocode 2 dan 197% terhadap lebar retak maksimum menurut AS 3600.

English Abstract

High-performance fiber-reinforced concrete (HPFRC) has developed as a modern structural material with unique rheological and mechanical characteristics. Empirical equations for predicting the properties of concrete or designing the structure elements still based on the normal strength concrete test results. Therefore it is needed the reassessment to apply that equation to the high strength concrete. One of the necessary components of producing high-performance concrete (HPC) is the Ordinary Portland cement (OPC), but in the recent, the circulating in Indonesia is only Portland Pozzolana Cement. Meanwhile, the Indonesian National Standard on high-performance fiber-reinforced concrete not yet existed. Research on the mechanic's behavior of high-performance fiber-reinforced concrete can be used to develop the constitutive models of its cracks. The crack width is a good indicator of the structure state and must be observed to determine whether the structure's behavior and strength are satisfactory. However, accurate predictions or measurements of the crack width in concrete structure elements are challenging to achieve in the field. This study aims to: (1) Develop methods to achieve the quality of high-performance fiberreinforced concrete through the engineering of materials proportions and describe the making specificity of that concrete using materials available in Indonesia. (2) Identify the flexural and crack behavior of high-performance fiber-reinforced concrete on one-way slabs which are influenced by bond effect between high-performance fiber-reinforced concrete and steel reinforcement with the variations of steel fibers composition. (3) Developing the maximum crack width equation that is influenced by the mechanical properties and geometry factors of high-performance fiber concrete on one-way slabs. The research is conduct by testing the properties of the material. A series of experiments are done to design high-performance fiber-reinforced concrete mixtures that fulfill the criteria of fc' between 50 MPa - 75 MPa. The materials are Portland Pozzolanic cement, silica fume, steel fibers, superplasticizers, and aggregate materials. Experimental studies were carried out on one-way HPFRC slabs after the physical and mechanical parameters of the HPFRC slab materials were obtained. The study of the mechanical behavior of the HPFRC slab was carried out through internal forces analysis based on HPFRC slabs flexural test data. Analysis of HFPRC slab crack width was carried out by linear elastic fracture mechanics method. The results show that the mix design of high strength concrete uses the absolute volume method, with the boundary in the form of a water-binder ratio (W / B ratio) of 0.23 and 19 mm maximum diameter of gravel and a variation of silica fume between 0% to 15% of the weight of cement can produce concrete compressive strength between 64.84 MPa to 70.10 MPa. By the proposed composition of PPC: Sand: Gravel: Silica Fume: Water: Superplasticizer of 1: 1.328: 1.76: 0.08: 0.213: 0.022, the optimum average compressive strength that can be achieved theoretically is 70.70 MPa. At the beginning of the casting process, a portion of the superplasticizer is mixed into the mixing water. Gravel, sand, and silica fume are stirred in a 350-liter concrete mixer for approximately 4 minutes. Then the cement is added and stirred for 3 minutes until the mixture looks brown cement. Next, the superplasticizer mixed with water is poured into the mixer and stirred for 3 minutes. The remaining superplasticizer is put into the mixer and after a total stirring time of 12 minutes, the mixture is ready to be poured into the concrete mold.The flexural behavior and crack width that occurs in the one-way high-performance fiber concrete slab treated with the addition of steel fiber content between 0.4% to 1.0% of the weight of the volume of the test object can be described as follows. The collapse that occurs on the one-way HPFRC slab tested shows flexural failure, which is indicated by a crack pattern perpendicular to the flat plane at the bottom side of the slab starting from the middle of the span. With increasing levels of steel fiber, the tested one-way HPFRC slab can improve its performance in the form of holding a more significant service load when it collapses. The increase in performance is also indicated by the tendency of an increase in the average compressive strength, modulus of elasticity, split tensile strength, pullout strength, and the results of flexural testing of beam specimens and plate specimens. When the service load is getting bigger, the deflection that occurs on the slab decreases due to the increase in bond stress between high-performance fiber-reinforced concrete and steel reinforcement as the influence of the use of steel fibers. This increase in bond strength is also indicated by the rise in steel tensile stress and concrete modulus of rupture when the slab collapse. Based on the results of the crack width test, the idealization of the behavior of the crack width on the one-way slab that collapses before the reinforcing steel yields showed a linear pattern. Whereas on the broken slab after the reinforcing steel yields, the behavior of the crack width is idealized with a bilinear or parabolic model. With the same slab dimensions, resulting from an increase in service load, the crack width that occurs when the HPFRC slab collapses increases proportionally. Following the results of testing which shows that the addition of fiber is also followed by the rise in the test results of the average compressive stress, splitting tensile stress, pullout stress, modulus of rupture, the tensile stress of steel, and bond stress. Thus the increase in HPFRC slab performance due to the addition of fiber content is in the form of increasing slab capacity to withstand service loads, but the analysis of the crack width that occurs is more influenced by the geometry or dimensions of the structural elements being tested. The stress-strain pattern used to calculate the elastic modulus in the test results of cylindrical concrete specimens compressive strength shows linear behavior, this is different from the results of stress-strain analysis according to the Hognestad equation which tends to be parabolic. The results of the analysis using linear elastic fracture mechanics (LEFM) method that uses HPFRC slab configurations as pure bending elements (PBE) and HPFRC plate configurations as three-point bending elements (TPB) produce a maximum predicted crack width of about 67% compared to the maximum crack width according to ACI 318 or ACI 224.2R and nearly 117% when compared to the maximum crack width according to Eurocode 2, and 157% when compared with the maximum crack width according to AS 3600. This result corresponds to the results of the flexural test performed. For the analysis using the configuration of the reinforced hyperstatic reaction F and bending moment M (F & M), the ratio of the maximum crack width of the HPFRC plate was 87% to the maximum crack width according to ACI 318 or ACI 224.2R and 151% of the maximum crack width according to Eurocode and 204 % of the maximum crack width according to AS 360. This result approaches the maximum crack width according to the results of slip analysis which has a ratio of 83% to the maximum crack width according to ACI 318 or ACI 224.2R, 145% to the maximum crack width according to Eurocode 2 and 197% to width maximum crack according to AS 3600.

Item Type:	Thesis (Doktor)
Identification Number:	DES/620.137/KRI/p/2019/061904275
Uncontrolled Keywords:	beton serat kinerja tinggi, lebar retak, linear elastic fracture mechanics,HPFRC, crack width, linear elastic fracture mechanics
Subjects:	600 Technology (Applied sciences) > 620 Engineering and allied operations
Divisions:	S2/S3 > Doktor Teknik Sipil, Fakultas Teknik
Depositing User:	soegeng sugeng
Date Deposited:	24 Aug 2022 01:30
Last Modified:	24 Aug 2022 01:30
URI:	http://repository.ub.ac.id/id/eprint/193470

Text Krisnamurti.pdf Download (19MB)

Actions (login required)

View Item