Prosiding Konferensi Nasional Pascasarjana Teknik Sipil (KNPTS) 2011, 20 Desember 2011, ISSN 2089-3051 PENINGKATAN KINERJA PILAR/KOLOM JEMBATAN BETON BERTULANG BERPENAMPANG PERSEGI BERLUBANG DIBAWAH PEMBEBANAN SIKLIK DENGAN REACTIVE POWDER CONCRETE (RPC) Mohammad Junaedy Rahman1, Bambang Budiono2, Awal Surono3, Ivindra Pane 4 1 Mahasiswa S3 Program Pascasarjana Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan Institut Teknologi Bandung, Email: [email protected] 2 Staf Pengajar Teknik Sipil Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan Institut Teknologi Bandung, Email: [email protected] 3 Staf Pengajar Teknik Sipil Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan Institut Teknologi Bandung, Email: [email protected] 4 Staf Pengajar Teknik Sipil Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan Institut Teknologi Bandung, Email: [email protected] ABSTRAK Pilar/kolom merupakan elemen pemikul yang befungsi menjaga kestabilan jembatan terhadap pengaruh beban aksial tekan yang besar dan gaya-gaya lateral. Penggunaan Holow Rectangular Section Reinforced Concrete Pier (HRSRCP) ditujukan untuk mereduksi kontribusi massa pilar/kolom terhadap respon seismik pada jembatan dengan kekakuan lentur dan torsi yang lebih baik dibanding pilar solid. Secara teoritis diyakini bahwa daktilitas kolom/pilar akan menurun seiring dengan meningkatnya beban aksial tekan, sehingga diperlukan upaya agar elemen struktur tersebut mampu berperilaku inelastik yang lebih unggul dalam memencarkan energi seismik dengan daktilitas yang tinggi. Reactive Powder Concrete (RPC) adalah jenis beton yang berbasis semen Portland dengan kinerja kekuatan yang ultra tinggi, terbuat dari material-material penyusun yang berukuran mikron untuk meminimalisir heterogenitasnya. Pada penelitian ini diperkenalkan suatu inovasi baru dalam meningkatkan kinerja HRSRCP dengan memadukan keunggulan model geometrik elemen pilar/kolom dengan material RPC. Tujuan umum penelitian ini adalah untuk memperoleh beberapa parameter kinerja penting yang memberikan kontribusi terhadap peraturan penggunaan HRSRCP pada jembatan dan memberi informasi inovasi teknologi pada industri beton pracetak serta mengoptimalkan efektifitas penggunaan RPC sebagai material yang memiliki sustainabilitas yang tinggi sebagai elemen struktur tahan gempa. Investigasi secara eksperimental terhadap beban siklik dengan model yang diskalakan 1:6 dilakukan untuk mengetahui kinerja dan mekanisme penyerapan energi pada HRSRCP-RPC dengan variasi rasio volumetrik tulangan transversal (confinement). Evaluasi secara numerik dengan menggunakan analisis non linear finite element pada program ANSYS diharapkan memberi informasi yang akurat pada pengujian eksperimental mengenai perilaku HRSRCP-RPC, berdasarkan beberapa parameter yang secara signifikan mempengaruhi peningkatan kinerja elemen struktur tersebut. Kata kunci: Holow Rectangular Section Reinforced Concrte Pier (HRSRCP), Reactive Powder Concrete (RPC), non linear finite element, pengujian eksperimental siklik, confinement. 1. PENDAHULUAN Sebagian besar wilayah Indonesia memiliki intensitas kegempaan yang menengah sampai tinggi sehingga sudah seharusnya bangunan-bangunan gedung maupun infrastruktur fisik lainnya dibangun dengan mengikuti kaidah-kaidah bangunan tahan gempa, sehingga dapat mereduksi sebesar mungkin resiko korban jiwa yang ditimbulkannya. Keruntuhan progresif pada bangunan-bangunan beton bertulang seperti gedung ataupun jembatan akibat gempa-gempa besar yang telah terjadi selama ini terutama diakibatkan oleh ketidakmampuan elemen-elemen strukturalnya untuk berperilaku daktail dalam simpangan inelastiknya dan pembentukan sendi plastis yang diharapkan tidak terjadi. Pada pilar jembatan, keadaan ini teridentifikasi terutama pada kondisi beban aksial tekan dominan, dimana peningkatan beban aksial tekan pada pilar/kolom cenderung akan menurunkan daktilitasnya secara S-59 signifikan. Untuk itu diperlukan suatu langkah strategis mengembangkan inovasi elemen-elemen struktur kolom/pilar beton pada jembatan yang sustainable untuk menjamin memiliki daya tahan yang baik pada kondisi layan (service) maupun pada kondisi batas (ultimate). Tidak jarang dijumpai penggunaan dimensi elemen struktur pilar/kolom beton bertulang solid dengan dimensi penampang yang besar sebagai konsekuensi dalam mencapai kriteria keamanan. Ini akan berdampak pada masalah sifat thermal dan susut (shringkage) beton pada awal pelaksanaan dan terjadi peningkatan massa inersia elemen struktur saat merespon guncangan gempa kuat. Elemen struktur kolom beton bertulang yang berongga dalam arah longitudinal telah banyak diaplikasikan sebagai pilar jembatan dan umumnya dalam bentuk penampang pier berlubang persegi (Hollow Rectangular Section Reinforced Concrete Pier, disingkat HRSRCP) pada inti kolom. Penggunaan HRSRCP memiliki keuntungan berupa reduksi volume material dan reduksi beban mati yang cukup signifikan, serta memiliki kekakuan lentur dan torsi yang besar. (Priestly et al., 1996, Takahashi, Y. and Iemura, H., 2000, Yeh, Y-K., et al. 2002, Maria, H.S., 2006, Sheikh, M.N., et al. 2007, Delgado, R. et al., 2009). Persyaratan geometrik untuk stabilitas tipe elemen struktur ini juga telah diatur dalam ACI 343R 1995 Analysis and Design RC Bridge Structure maupun dalam AASHTO-LRFD 2005, Bridge Design Specification, meskipun masih dalam batasan beton mutu normal sampai mutu tinggi. Penggunaan beton mutu ultra tinggi telah menjadi alternatif solusi dari tingginya tuntutan kinerja mekanik dan durabilitas struktur bangunan-bangunan beton modern saat ini, terutama dalam menghadapi berbagai fenomena alam yang semakin ekstrim. Reactive Powder Concrete (RPC) merupakan jenis beton yang berbasis semen Portland dengan material-material berukuran mikron untuk meminimalisir heterogenitas betonnya, sehingga mampu mencapai kekuatan tekan yang bervariasi dari 200 MPa sampai 800 MPa (Richard P., and Cheyrezy, M., 1995, Dugat, J., et al., 1996, Bonneau, O., et al 1996, Shaheen, E., and Shrive, N.G., 2006). Sifat RPC yang getas diatasi dengan penambahan serat-serat baja mikro (micro steel fibers) sekitar 1.8% dari volume campuran RPC untuk meningkatkan daktilitas materialnya (Dallaire,, et.al, 1998 dan Prabha, S.L., 2010). Penelitian RPC yang banyak berkembang sekarang ini masih terfokus pada skala material dan telah berhasil memperoleh material beton yang memiliki kinerja yang superior. Upaya untuk mengaplikasikannya secara praktis sebagai elemen struktur belum banyak dilakukan dan bahkan belum pernah diuji sebelumya di Indonesia. Perpaduan keunggulan geometris HRSRCP dengan superioritas material RPC pada model pilar/kolom, merupakan inovasi baru yang akan diuji dalam penelitian ini. Kekuatan RPC yang cukup tinggi dan kapasitas penyerapan energi fraktur yang cukup besar mengindikasikan potensi untuk dapat meningkatkan kinerja pilar dengan kebutuhan tulangan longitudinal dan transversal pier berlubang yang lebih efisien. Namun demikian, ketika kekuatan beton meningkat, jumlah tulangan pengekang harus ditingkatkan untuk mencapai suatu daktilitas dengan level konstan pada kolom yang diberi beban aksial yang sama (Sheikh, M.N. et al., 2007). Takahashi, Y. and Iemura, H., (2000) juga menyebutkan bahwa dinding badan (web) pilar berlubang persegi yang lebih tipis menyebabkan deteriorasi ketahanan geser beton, sehingga perilaku pada keadaan ultimit menjadi kompleks. Hipotesis ini perlu dikaji lebih jauh, baik secara numerik melalui Non-Linear FEM-3D maupun dengan uji eksperimental model kolom/pilar dibawah pembebanan siklik dengan skala pengecilan 1:6. Perilaku elemen struktur HRSRCP-RPC dibawah pembebanan siklik akan memberi informasi kinerja kekakuan, kekuatan, daktilitas dan disipasi energi pilar. Variasi rasio volumetrik tulangan pengekang (confinement) badan pada pilar/kolom berlubang RPC merupakan aspek yang sangat penting untuk diperhatikan sehubungan dengan perilaku lentur dan geser serta pola retak yang akan diinvestigasi dalam penelitian ini. Manfaat penting yang diperoleh adalah memberi informasi bagi industri beton di Indonesia, khususnya pada penggunaannya sebagai beton pracetak serta akan memberi masukan terhadap peraturan yang ada khususnya dalam hal penggunaan beton yang berkinerja ultra tinggi. S - 60 2. KAJIAN LITERATUR 2.1 Reaktive Powder Concrete (RPC) Reactive powder concrete (RPC) merupakan material beton tipe khusus dari ultra high performance concrete (UHPC) yang memiliki kekuatan antara 200 sampai 800 MPa dengan prinsip utama yang berbeda dengan beton berkinerja tinggi konvensional, yaitu peningkatan homogenitas material dengan mengeliminasi agregat kasar, membatasi kandungan pasir, meningkatkan properti mekanik pasta serta mereduksi kelemahan zona transisi pada interface antara matriks dan agregat (Dallaire, E. et al. 1998) serta menambah serat sebagai upaya meningkatkan daktilitasnya. RPC terbuat dari semen Portland dengan panas hidrasi rendah, mikrosilika (silicafume), bubuk kuarsa (crushed quartz), pasir kuarsa, superplasticizer, serat baja mikro dan air, sehingga dapat disebut sebagai “mortar” dengan kandungan pasta semen dan mikrosilika yang sangat tinggi serta dengan rasio air semen (w/c) yang sangat rendah (Bonneau,O., et al., 1997). Peningkatan homogenitas beton dilakukan dengan menggantikan agregat kasar dan pasir konvensional dengan pasir kuarsa yang sangat halus yang berukuran partikel kurang dari 600 m (Dallaire, E., et al. 1998) atau sekitar 100 sampai 400 m (Shaheen, E., and Shrive, N.G., 2006). Kekompakan matriks butiran ditingkatkan dengan menyeleksi ukuran-ukuran butiran bubuk. Penggunaan mikrosilika sebesar 25% bertujuan untuk memperbaiki mikrostruktur beton. Steam curing pada suhu 90 ºC selama 48 jam merupakan upaya untuk mempercepat reaksi bahan pozolanik dari mikrosilika dengan semen, meskipun produk hidrasinya masih dalam kategori amorphous. (Richard, P., and Cheyrezy, M., 1995). Komposisi campuran RPC Pengembangan proporsi campuran yang ditawarkan oleh Richard P., and Cheyrezy, M., (1995) mengacu pada metode optimasi campuran granular yang dicapai dengan menggunakan packing models yang telah diuji oleh De Larrard (1994). Dalam upaya untuk memperoleh kekuatan berdasarkan komposisi dan homogenitas material-material penyusun RPC serta mengatasi tuntutan daktilitas beton yang memiliki kekuatan ultra tinggi maka Richard, P., and Cheyrezy, M., (1995), merekomendasikan komposisi campuran yang dapat dilihat pada Tabel 1 dalam dua jenis campuran yaitu RPC200 dan RPC800. Tabel 1 Komposisi campuran RPC untuk RPC 200 dan 800 (by weight) Portland Cement Silica Fume Sand 150 – 600 µm Crushed Quartz d50 = 10 µm Superplasticizer (Polyacrylite) Steel Fiber L = 12 mm Steel Fiber L = 12 mm Steel Aggregates < 800 µm Water Compacting Pressure Heat Treatment Temperature RPC200 Non Fibred Fibred 1 1 1 1 0.25 0.23 0.25 0.23 1.1 1.1 1.1 1.1 0.39 0.39 0.016 0.019 0.016 0.019 0.175 0.175 0.15 0.17 0.17 0.19 20C 90C 20C 90C RPC800 Silica Aggregate Steel Aggregate 1 1 0.23 0.23 0.5 0.39 0.39 0.019 0.019 0.63 0.63 1.49 0.19 0.19 50 MPa 50 MPa 250 – 400 C 250 – 400 C sumber: Richard et.al, 1995 Property Mekanik RPC Perbandingan hasil properti mekanik RPC dengan beton normal (OC) dan beton mutu tinggi (HSC) ditampilkan pada Tabel 2. Karakteristik hubungan tegangan-regangan tekan beton RPC dengan berbagai perlakuan dibandingkan dengan beton non-RPC diperlihatkan pada Gambar 1, dimana terlihat bahwa NSC (Normal Strength Concrete) memiliki kekuatan puncak yang lebih rendah dari HPC (High Performance Concrete), namun perbedaan regangan ultimitnya tidak begitu signifikan. Dengan suatu perlakuan khusus berupa penambahan serat, pemberian pressure pada saat setting dan S - 61 pengekangan, kekuatan tekan RPC meningkat hampir empat kali lipat dari kekuatan HPC. Juga terlihat bahwa RPC memiliki ragangan ultimit yang lebih panjang yang mengindikasikan daktilitas material yang lebih unggul. Tabel 2 Properti mekanik antara RPC, dibandingkan dengan ordinary concrete (OC) dan high strength concrete (HSC) Compressive strength (MPa) Flexural strength (MPa) Fracture energy (J/m2) Ultimate tensile strain (10-6) OC 20 – 50 4–8 130 100 – 150 HSC 60 – 80 6 – 10 140 100 – 150 RPC 200 – 800 15 – 140 1000 – 40,000 2000 – 8000 Sumber: Dugat, J et al. (1996) Gambar 1 Kurva hubungan tegangan regangan tekan NSC, HPC dan RPC (dari Aïtcin, P.C., 2008, courtesy of Eyrolles) 2.2 Pilar/kolom berpenampang persegi berlubang (HRSRCP) dan kriteria desain kolom Keuntungan dari penggunaan pilar/kolom berlubang ini adalah kemampuannya untuk dapat memaksimalkan efisiensi struktural dalam hal rasio kekuatan/massa dan kekakuan/massa dan mereduksi kontribusi massa kolom terhadap respon seismik serta mereduksi kecenderungan pengaruh retak thermal beton pada umur muda yang diakibatkan oleh variasi temperatur panas hidrasi. (Priestley, M.J.N. et al. 1996). Sesuai dengan arah penelitian ini, maka uraian dititik beratkan pada pilar/kolom berlubang persegi seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2(b) Gambar 2 Hollow-section untuk pilar/kolom jembatan, (a) hollow circular section RC pier, (b) hollow rectangular section RC pier Pilar/kolom persegi berlubang terdiri dari bagian badan (web part) yang searah dengan arah beban lateral dan bagian sayap (flens part) yang tegak lurus dalam arah beban tersebut. Dalam taraf pembebanan siklik, retak lentur horisontal pada bagian flens menjalar mejadi retak diagonal pada bagian pada bagian web, sehingga perlu untuk memberi pengekangan pada beton dengan aransemen tulangan transversal yang tepat (Takahashi, Y. and Iemura, H., 2000). Peran tulangan transversal di sini sangat penting dalam mengantisipasi regangan aksial dan lateral yang terjadi pada beton dan mencegah tulangan longitudinal mengalami tekuk. Pada saat kolom memikul gaya lateral, tulangan transversal juga berfungsi dalam memberikan tahanan geser terhadap penampang. Persyaratan luas minimum tulangan transversal (Ash) dengan sengkang tertutup persegi dalam AASHTO LRFD 2005 ditetapkan sesuai Pers.(1) dan (2) dengan memperhitungkan pengaruh gaya aksial Pu. S - 62 f ' 1.25 Pu Ash 0.12 shc c 0.5 f Ag f c ' yh dengan 0.5 1.25 Pu Ag f c ' 1 (mm2) (1) (2) dimana fc’ adalah kuat tekan beton, Ash dan fyh masing-masing adalah luas dan tegangan leleh tulangan transversal, s adalah jarak vertikal as ke as tulangan transversal dan hc adalah lebar inti terkekang dan Ag adalah luas penampang gross. Dalam tinjauan kestabilan, AASHTO LRFD 2005 Section 5.7.4.7 memberi batasan kapasitas nominal yang dihitung berdasarkan perosedur desain standar untuk kemungkinan terjadinya instabilitas lokal pada pier berlubang pada rasio kelangsingan 15 sampai 35 dengan suatu faktor reduksi w pada Pers.(3). w 1.0 if w 15 w 1.0 0.025w 15 if 15 w 25 w 0.75 if 25 w 35 (3) Rasio lelangsingan tersebut adalah panjang maksimum penampang melintang dinding yang tidak ditopang Xu dibagi dengan ketebalan dinding t, atau w = Xu/t seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Gambar 3 Rasio kelangsingan dinding untuk penampang persegi berlubang (Maria, 2006, merujuk ke AASHTO LRFD Bridge Spesification 1998) ACI 343R 95 Analysis and Design of Reinforced Concrete Bridge Structure juga memberikan batasan ketebalan dinding voided box section piers minimal 750 mm dengan rasio lebar pilar terhadap tinggi total sebesar L/16, dengan tinggi pilar (L) pada kisaran 27 – 60 m. Untuk pilar berlubang yang digunakan untuk multystory bent piers ketebalan minimal juga diberi batasan yang sama, namun sisi panjang penampang luar pilar disyaratkan dengan rasio L/16 dan sisi pendeknya sebesar L/20, dengan tinggi pilar (L) antara 36 – 80 m. Penggunaan diagram interaksi momen (M) dan gaya aksial (P) digunakan mengecek kapasitas penampang dengan rasio tulangan longitudinal (g) yang memenuhi kriteria SNI-03 2847 2002 23.4.3.1 antara 1% sampai 6% dari luas penampang (Ag). Model pilar yang akan diuji dalam penelitian ini dibatasi untuk kolom pendek tipe kantilever dengan single curvature, maka keangsingan kolom dibatasi memenuhi Pers.(4) sesuai AASHTO-LRFD 5.7.4.3. KLu 22 r (4) dimana K = 2, r adalah radius girasi penampang dan Lu adalah tinggi level pembebanan lateral. 2.3 Daktilitas pilar/kolom dan mekanisme disipasi energi Daktilitas adalah kemampuan struktur untuk berdeformasi secara inelastik dengan baik ketika mengalami beberapa siklus beban lateral tanpa mengalami kerusakan yang signifikan. Untuk kebutuhan tersebut maka pilar/kolom jembatan harus didesain untuk berperilaku daktail, melalui plastifikasi (kerusakan) pada sendi plastis (plastic hinge) yang merupakan sarana untuk mendisipasi energi gempa, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4(a). Gambar 4(b) menunjukkan respon aktual akibat beban lateral siklik pada pilar. Sampai pada saat leleh pertama terjadi regangan tekan beton pada daerah sendi plastis masih lebih rendah dari S - 63 regangan yang menyebabkan crushing dengan crack yang masih lebih kecil akibat pengaruh beban aksial tekan yang cenderung menutup retak dan softening pada tulangan yang mengalami pelelehan pada saat respon balik sebagai hasil dari efek Baushinger. Ketika keadaan inelastik telah mulai terjadi dengan perpindahan lateral yang lebih besar, energi potensial struktur sebagian dipencarkan pada daerah sendi plastis, sehingga energi kinetik mengecil saat respon balik terjadi. Saat regangan tekan beton pada daerah sendi plastis sudah melampaui regangan ultimit, terjadi spalling, seiring dengan peningkatan regangan tulangan. Jika struktur pilar didesain secara wajar, maka kerusakan pada level ini masih bisa dilakukan perbaikan setelah gempa besar terjadi. (a) (b) Gambar 4 Pendisipasian energi pada pilar jembatan dari siklus beban lateral (a) Pembentukan sendi plastis pada pilar beton, (b) Respon struktur dalam domain gaya-perpindahan dan idealisasi bilinear kurva histerisis dalam menentukan daktilitas perpindahan (PriestleyM.J.N., et al, 1996) Hubungan respon histeresis gaya lateral dan perpindahan seperti pada Gambar 4(b), dapat diidealisasikan sebagai kurva bilinear ekuivalen melalui ekstrapolasi respon elastis sampai mencapai kekuatan Vd yang diharapkan untuk memperoleh perpindahan saat leleh y (yield displacement). Jika perpindahan maksimum dinyatakan sebagai u (ultimate displacement) maka faktor daktilitas perpindahan struktur adalah = u/y. Ketersediaan kapasitas rotasi plastis pada daerah tersebut ditentukan oleh geometri penampang, jumlah tulangan longitudinal dan distribusi tulangan transversal pada daerah sendi plastis (PriestleyM.J.N., et al, 1996). Dari berbagai hasil analisis dan pengetesan Priestley, M.J.N., et al, (1996) merekomendasikan penentuan panjang sendi plastis untuk pilar kantilever dengan Pers.(5). L p 0.08 L 0.022 f ye d bl 0.044 f ye d bl (5) dimana L adalah jarak dari penampang kritis sendi plastis ke titik lawan lentur (contraflexure) dan dbl sebagai diameter tulangan longitudinal. 2.4 Perilaku kolom/pilar dalam beban aksial tekan dan lentur Keruntuhan yang progresif pada pilar/kolom terjadi terutama pada kondisi kolom memikul kombinasi beban lateral gempa besar dengan beban tekan aksial yang dominan. Pada keadaan tersebut, beban aksial tekan akan mereduksi kapasitas lentur penampang kolom seiring dengan mengecilnya nilai kurvatur, dimana tegangan tekan pada beton menjadi meningkat cukup signifikan sedangkan tulangan tarik belum mencapai regangan lelehnya. Apabila tulangan transversal tidak memadai untuk memberikan pengekangan pada daerah beton yang tertekan, maka beton akan mengalami kehancuran (crushing) prematur sebelum regangan tekan ultimitnya tercapai. Perilaku kurvatur penampang antara beton biasa (NSC), beton mutu tinggi (HSC) dan beton bubuk reaktif (RPC) pada keadaan saat leleh pertama (first yield) dan pada kondisi ultimit ketika mengalami kombinasi beban lentur dan aksial tekan diillustrasikan seperti pada Gambar 5. Dengan asumsi tulangan longitudinal menyebar simetris pada keempat sisi kolom maka pada saat beban aksial tekan bekerja pada titik plastic centroid penampang (berimpit dengan center line) maka kesetimbangan gaya-gaya tarik dan tekan memenuhi Pers. (6), S - 64 n (6) Po 0.85 f c ' ab f si Asi i 1 dimana b adalah lebar penampang, a adalah tinggi blok tekan beton dan fsiAsi = Tsi yang merupakan gaya tekan atau tarik tulangan longitudinal. Momen yang bersesuaian dengan regangan pada penampang seperti pada Pers. (7), n (7) M 0.85 f c ' abd a 2 f si Asi d i Po h 2 i 1 dengan d sebagai jarak serat tekan terluar penampang beton ke titik berat tulangan tarik terluar dan di adalah lengan momen dari titik tinjauan ke titik berat baris tulangan ke-i. ce NSC ce HSC ce RPC cu RPC cu HSC cu NSC c e RPC c e NSC c e HSC c u RPC c u NSC c u HSC N.A -RPC N.A -HSC 0.85fc' NSC 0.85fc'HSC 0.85fc' RPC a NSC Cs aHSC aRP C N.A -RPC N.A -HSC Ts N.A -NSC N.A -NSC y NSC u NSC Ts y HSC u HSC Ts y RPC u RPC Ts s = y (a) kurvatur 1st yield : NSC > HSC > NSC kekakuan 1st yield : K NSC < K HSC < K NSC s > y (b) Cc -NSC Cc -HSC Ts or Cs Po C.L M Ts (c) kurvatur ultimit : NSC < HSC < NSC kekakuan ultimit : K NSC > K HSC > K NSC Gambar 5 Perbandingan regangan penampang beton dan gaya-gaya internal pada penampang kolom NSC, HSC dan RPC, (a) kondisi saat leleh pertama, (b) kondisi ultimit (c) aksi gaya-gaya internal akibat gaya aksial dan lentur pada keadaan ultimit Ketika tulangan pada serat tarik mengalami leleh pertama, tegangan tekan pada beton diasumsikan masih berperilaku elastis (Park, R and Paulay, T., 1975). Pada Gambar 5(a) terlihat regangan tekan beton RPC masih lebih kecil dibanding HSC, sedangkan NSC telah mengalami regangan yang lebih besar dari yang lainnya, sehingga kurvatur leleh (y =y/(d-kd) ) RPC masih lebih kecil, yang menunjukkan RPC masih memiliki kekakuan yang lebih besar untuk berdeformasi lebih lebih lanjut. Pada saat regangan ultimit beton tertekan telah tercapai dan regangan baja tulangan telah melampaui regangan leleh seperti pada Gambar 5(b), sifat material RPC yang lebih daktail mampu mencapai regangan yang lebih panjang dibandingkan dengan beton HSC dan NSC, sehingga kurvatur ultimitnya (u =cu/cu) meningkat cukup signifikan. Keadaan ini mengindikasikan kemampuan RPC sebagai elemen struktur kolom yang dapat berdeformasi inelastik lebih baik dengan daktilitas rotasi dan reduksi kekakuan struktur yang lebih besar. Kapasitas daktilitas rotasi penampang dinyatakan sebagai = u/y yang merupakan perbandingan kurvatur saat leleh pertama dengan kurvatur ultimit. Pada Gambar 5(c), kekuatan RPC yang tinggi dan dengan regangan ultimit yang panjang sebagai indikasi material yang daktail, akan menghasilkan blok tekan yang lebih besar dalam mengimbangi peningkatan regangan pada tulangan sebelum terjadinya crushing. 2.5 Perkembangan riset RPC dan HRSRCP Penelitian yang banyak dikembangkan dewasa ini mengenai RPC masih terfokus pada skala material. Beberapa penelitian terbaru mengenai Reactive Powder Concrete diuraikan sebagai berikut: Graybeal, B.A. (2007), menginvestigasi perilaku uniaksial tekan ultra-high-performance fiberreinfoeced concrete (UHPFRC). Dari hasil analisisi yang dilakukan diperoleh persamaan modulus elasisitas beton UHPFRC yaitu E = 3840(fc’)1/2 (dalam MPa) yang memberi kontribusi penting terhadap peraturan yang ada. Cwirzen, A., et al. (2008), Melakukan pengujian RPC yang meliputi sifat-sifat mekanik, durabilitas dan penggunaan secara hibrida dengan semen Portland biasa. Dengan rasio air semen 0.22, diperoleh kekuatan tekan 28 hari bervariasi dari 170 sampai 200 MPa untuk perawatan dengan steam curing, S - 65 dan antara 130 sampai 150 MPa tanpa steam curing. Juga dilaporkan bahwa penyusutan awal untuk RPC (UHS-mortar) lebih tinggi dua kali lipat dari UHS-concrete. Chang, T.P., et al. (2009), Menguji kinerja RPC dengan kondisi perawatan campuran yang berbeda dan pengaruhnya sebagai material perbaikan elemen struktur. Hasil menunjukkan bahwa dengan steam curing pada empat umur beton yang berbeda secara substansial meningkatkan durabilitasnya. Perbaikan benda uji (retrofit specimen) dengan membungkus silinder beton dengan RPC setebal 10 dan 15 mm dapat meningkatkan rasio kekuatan tekan 9.5 sampai 38%. Prabha, S.L., et al.(2010), Melakukan studi perilaku hubungan tegangan-regangan RPC dibawah pembebanan tekan uniaksial pada benda uji silinder diameter 100 mm dan tinggi 200 mm. Dengan variasi kandungan dan dimensi serat pada beton, diperoleh kekuatan tekan RPC yang mampu mencapai 171.3 MPa dengan serat baja ukuran diameter 0.16 mm dan panjang 13 mm sebanyak 2%. Campuran RPC memiliki kekuatan 38% sampai 63% lebih besar dengan modulus elastisitas antara 21% sampai 24% lebih tinggi jika menggunakan serat baja. Perkembangan riset kolom persegi berlubang dirangkum pada Tabel 3. Tabel 3 Perkembangan Riset pilar/kolom persegi berlubang Peneliti/tahun Skala benda uji Mutu beton Metode pengujian Jenis pembebanan Takahashi, Y., and Iemura, H. (2000) reduced scale 34 Mpa Eksperimental Yeh, Y.-K., et al. (2002) full scale 32-34 MPa Eksperimental Calvi, G.M., et al. (2005) 1/4 scaled 23.6 -35 MPa Numerik dan eksperimental Kombinasi aksial tekan dan lateral siklik Maria, H.S., et al. (2006) 1/5 scaled 27-43 MPa Eksperimental statik monotonik, lentur biaksial Sheikh, M.N., et al. (2007) Kombinasi aksial dan lateral siklik, pseudo dynamic test Kombinasi aksial tekan dan lateral siklik Model analitik Zhao, G.Y. et al. (2008) reduced scale 140 MPa Model analitik dan eksperimental Lateral siklik Delgado, R., et al. (2009) 1/4 scaled 28 MPa Numerik FEM 3D dan eksperimental Kombinasi aksial tekan dan lateral siklik 3. Investigasi Kinerja inelastik pilar tinggi, keruntuhan lentur dan geser Daktilitas lentur, disipasi energi dan kapasitas geser. Kapasitas geser dari berbagai kombinasi momen dan geser, shear deformability Kestabilan tekuk lokal dinding pier beton bertulang persegiempat Mengkomparasikan model analitik dengan hasil-hasil eksperimen yang ada Pola retak, faktor daktilitas dan disipasi energi perilaku lentur dan geser METODOLOGI PENELITIAN Penelitian ini ditujukan untuk menginvestigasi kinerja mekanik komponen struktur kolom beton bertulang berpenampang berlubang dengan material RPC. Untuk tujuan tersebut, maka akan dilakukan pengamatan melalui program eksperimen yang terbagi dalam dua tahap yaitu: 1) Kajian secara numerik parameter-parameter yang dianggap berpengaruh signifikan terhadap perilaku dan kinerja kolom RPC berlubang, 2) Trial mix beton RPC untuk mencapai target kekuatan tekan yang melampaui 120 MPa; 2) Pengujian eksperimental HRSRCP-RPC dengan pembebanan lateral siklik. Tahapan penelitian akan diuraikan sebagai berikut: 3.1 Analisis numerik Uji numerik terhadap HRSRCP-RPC akan dilakukan dengan Non Linear FEM 3D melalui software ANSYS. Material beton dimodelkan sebagai elemen solid dengan 3 derajat kebebasan translasi pada kedelapan titik nodalnya (brick element), sedangkan baja tulangan dimodelkan terkoneksi dengan elemen solid secara diskrit sebagai elemen yang berupa link dengan satu derajat kebebasan translasi arah aksial pada tiap titik nodalnya. Model konstitutif beton RPC diidealisasikan dengan persamaan S - 66 Hognestad seperti yang rekomendasikan oleh Zhao, et.al (2008). Model konstitutif baja tulangan menggunakan model tegangan – regangan yang mengakomodasi efek strain hardening. Untuk keperluan analsis, model tersebut dimodifikasi dengan persamaan Ramberg – Osgood. Model benda uji untuk analisis numerik dibuat dalam skala 1:6. Metode pengujian pada model yaitu dengan load control method, yaitu model struktur diberi beban lateral secara siklik dengan increment yang diatur menjadi beberapa step pembebanan sampai rasio drift yang ditagetkan tercapai, sedangkan beban aksial tekan bekerja secara konstan. 3.2 Trial Mix RPC Dalam upaya untuk mencapai kekuatan beton ultra high strength concrete, maka akan dilakukan beberapa trial mix campuran RPC dengan komposisi campuran yang sesuai dengan rekomendasi Dugat, J., et al 1997 sebagai campuran pembanding, kemudian dilanjutkan dengan membuat campuran yang komposisinya disesuaikan dengan karakteristik material yang tersedia secara lokal. Karena belum adanya metode standar yang dapat dipakai dalam mix design RPC maka komposisi campuran yang akan dibuat berikutnya masih bersifat trial and error dengan penekanan pada: 1. Penggunaan rasio air semen (w/c ratio) rendah namun tetap memiliki workabilitas yang memenuhi dan target kekuatan di atas 120 MPa. 2. Mengoptimalkan density agregat gabungan antara fraksi pasir kuarsa yang berukuran maksimum 300 m dengan fraksi hasil crushing yang berukuran maksimum 50m. Dari kedua prinsip di atas maka pendekatan dengan prinsip volume absolute (Nevile, A.M., 1995) untuk 1 m3 beton dapat dilakukan berdasarkan Pers.(8) A1 A2 W C 1 1000 1000 c 10001 1000 2 (8) dimana W adalah berat air, C adalah kebutuhan semen dan A1 dan A2 masing-masing adalah dua fraksi agregat serta yang menyatakan spesik grafity dari masing-masing material. Dengan menetapkan rasio air/semen dan rasio agregat/semen maka komposisi material-material penyusunnya dapat ditentukan. Pengujian sifat mekanik hasil trial mix dilakukan dengan sejumlah benda uji silinder standar 15 cm x 30 cm untuk memperoleh kekuatan tekan, kekuatan tarik belah dan hubungan tegangan regangan uniaxial beton yang akan diverifikasi ulang dalam pemodelan numerik. 3.3 Pengujian eksperimental HRSRCP-RPC Model kolom didesain dengan kombinasi momen dan beban aksial tekan (Pn) yang melebihi 0.1 fc’Ag dan disesuaikan dengan kapasitas aktuator dari loading frame yang tersedia. Bentuk dan dimensi penampang benda uji diperlihatkan pada Gambar. 6 Gambar 6 Dimensi penampang kolom, penulangan longitudinal dan potongan Benda uji kolom RPC berpenampang berlubang dibuat dalam empat model yaitu: a) HRSRCP-RPC dengan jarak sengkang 50 mm b) HRSRCP-RPC dengan jarak sengkang 100 mm c) HRSRCP-RPC dengan jarak sengkang 150 mm tanpa pendetailan pada sendi plastis S - 67 d) HRSRCP-RPC dengan jarak sengkang 150 mm dengan pendetailan sendi plastis Gambaran setup rencana pengujian kolom dengan beban siklik diperlihatkan pada Gambar 7(a). (a) (b) Gambar 7 Loading frame dan pembeban (a) Setup pengujian kolom berongga, (b) Pola pembebanan Benda Uji (sesuai FEMA 450 P9 dan ACI 3741 - 05) Pengujian dilakukan dengan sistem penambahan defleksi (displacement control) secara bertahap dengan beban lateral siklik quasi-static yang akan diaplikasikan pada ujung kolom yang mengikuti rekomendasi yang diisyaratkan oleh FEMA 450 P9 dan ACI 3741 - 05. Sistem Pembebanan ini ditujukan untuk mengetahui perilaku sistem kolom RPC berongga dalam menahan beban gempa. Pola pembebanan benda uji dapat dilihat pada Gambar 7(b). 4. KESIMPULAN Dari beberapa argumentasi teoritis dan rancangan metodologi penelitian yang telah diuraikan, maka dapat ditarik kesimpulan umum dari makalah rancangan penelitian ini sebagai berikut: 1. Dalam rangka upaya menghasilkan elemen struktur pilar beton jembatan yang sustainable maka HRSRCP-RPC dapat menjadi alternatif plihan inovasi yang memadukan keunggulan geometrik dan superioritas material. 2. Karakteristik hubungan tegangan-regangan material RPC yang lebih unggul dari beton akan memberikan perilaku elemen struktur HRSRCP yang lebih daktail jika aransemen tulangan transversal dan longitudinal didesain secara wajar. 3. Melalui analisis numerik dengan FEM maka dapat diperoleh gambaran awal mengenai parameter-parameter penting yang menentukan kinerja struktur dan hasilnya dapat menjadi masukan dalam tahapan pengujian eksperimental. DAFTAR PUSTAKA AASHTO-LRFD, 2005,”Bridge Design Specification” ACI-ASCE Committee 343, 1995, “Analisis and Design of Reiforced Concrete Bridge Structure” ACI 343R 95 ACI Committee 374.1-05 “Acceptance Criteria for Moment Frames Based on Structural Testing and Commentary” Aïtcin, P-C, 2008 “Binders for durable and sustainable concrete,(Modern Concrete Technology Series)” , ISBN 0-203-94048-2, Taylor & Francis Group, London and New York. Badan Standardisasi Nasional, SNI 2847 2002, “Tata Cara Perencanaan Struktur Beton untuk Bangunan Gedung” Bonneau, O., Poulin, C., Dugat, J., Richard, P., and Aitcin, PC., 1996, “Reactive Powder Concretes: From Theory to Practice”, Concrete International. S - 68 Calvi, G.M., Pavese, A., Rasulo, A., and Bolognini, D., 2005, “Experimental and Numerical Studies, on the Seismic Response of R.C Hollow Bridge Piers”, Springer, Bulletin of Earthquake Engineering, 3: 367297. Chang, T.P., Chen, B.T., Wang, J.J., and Wu, C.S., , 2009 “Performance of Reactive Powder Concrete (RPC) with Different Curing Conditions and Its Retrofitting Effects on Concrete Member”, Concrete Repair, Rehabilitation and Retrofitting II – Alexander et al (eds), Taylor & Francis Group, London, ISBN 978-0415-46850-3. Chen, W-F. and Duan, L., 2003, “Bridge Engineering, Substructure Design”, CRC Press LLC, Florida. Cwirsen, A., Pettala, V., and Vornanen, C. 2008, “Reactive Powder Based Concretes : Mechanical Properties, Durability, and Hybrid Use with OPC”, Cement and Concrete Research, 38 (2008), 1217-1266, Content lists available at ScienceDirect. Dallaire, E., Aitcin, PC., and Lachemi, M., 1998, “High-Performance Powder”, Civil Engineering. Delgado, R., Delgado, P., Pouca, N.V., Arede, A., Rocha, P., and Costa, A., 2009, “Shear Effect on Hollow Section Piers under Seismic Action: Experimental and Numerical Analysis”, Springer Science, Bull Earthquake Eng. 7:377-389. Dugat, J., Roux, N., and Bernier, G., 1996, “Mechanical Properties of Reactive Powder Concretes “ Material and Structures, Vol 29, May 1996, 233-240. FEMA 450 “The 2003 NEHRP Recommended Provisions For New Buildings And Other Structures Part 1: Provisions (FEMA 450)” Graybeal, A.B., 2007, “Compressive Behavior of Ultra-High-Performance Fibre-Reinforced Concrete”, ACI Materials Journal, Vol. 104, No. 2 March-April 2007. Maria, H.S., Wood, S.L., Breen. J.E., 2006, “Behavior of Hollow Rectangular Reinforced Piers Subjected to Biaxial Loading”, ACI Materials Journal, Vol. 103, No. 3 May-June 2006. Nevile, A.M., 1995, “Properties of concrete” ISBN 0-582-23070-5, Logman Group Limited, England. Park, R. and Paulay, T. 1975 “Reinforced Concrete Structure”, John Wiley & Son. Inc., Canada. Prabha, S.L., Dattatreya, J.K., Neelamegam, M., and Rao, M.V.S., 2010, “Study on Stress-Strain Properties of reactive Powder Concrete under Uniaxial Compression”, International Journal of Engineering Science and Technology, Vol. 2(11), 2010, 6408-6416. Priestley, M.J.N., Seible, F., and Calvi, G.M., 1996, “Seismic Design and Retrofit of Bridge”, John Wiley & Sons Inc, Canada. Richard, P., and Cheyrezy, M., 1995, “Composition of Reactive Powder Concrete”, Cement and Concrete Research, Vol. 25, No. 7, 1501-1511. Pergamon, Scientific Division BOUYGUES, St Quentin en Yvelines, France Shaheen, E., and Shrive, N.G, 2006, “Optimization of Mechanical Properties and Durability of Reactive Powder Concrete”, ACI Materials Journal, Vol. 103, No. 6 November-December 2006 Sheikh, M.N., Vivier, A., and Legeron, F., 2007, “Seismic Vulnearability of Hollow core Concrete Bridge Piers”, Proceeding of the 5th International Conference on Concrete under Severe Condition of Environment and Loading (CONSEC07), France, 2007, 1445-1454. Takahashi, Y., and Iemura, H., 2000, “Inelastic Seismic Performance of Tall Piers With Hollow Section”, 12WCEE 2000. Zhao. G.Y. Yan, G.P., and Hao. W.X., 2008., “ Seismic Performance of RPC Hollow Rectangular Bridge Column”, The 14th Word Conference on Earthquake Engineering, October 12-17, 2008, Beijing, China. Yeh, Y.K., Mo, Y.L., and Yang, C.Y., 2002, “Full-Scale Test on Rectangular Hollow Bridge Piers”, Materials and Structures, Vol 35, pp. 117-125. S - 69
