Studi Eksperimen dan Numerik pada Perilaku Balok Baja Akibat Retak Menggunakan Lembar Fiber Reinforced Polymer (CFRP)

DEWI PURNAMA SARI, Ali Awaludin, S.T., M.Eng., Ph.D ; Ir. Suprapto Siswosukarto, Ph.D

2015 | Tesis | S2 Teknik Sipil

Fiber Reinforced Polymers (FRP) telah banyak digunakan pada pemeliharaan elemen struktur. Sistem perbaikan dan pemeliharaan menggunakan FRP sangat efisien dibanding dengan cara konvensional. Untuk mendapatkan prediksi kapasitas beban dan lendutan yang tepat, maka digunakan analisis Finite Element Analysis (FEA) untuk balok Square Hollow Section (SHS) ukuran 100 mm x 100 mm; tebal 2,1 mm dan panjang 2000 mm. Pada balok baja dibuat retak yang dibuat selebar 3 mm dengan kedalaman 25 mm di tengah bentang pada daerah tarik dan kemudian dipasang CFRP SCH-41 dengan ketebalan 1 mm. Pada penelitian ini, ada tiga benda uji, yaitu : balok tanpa perkuatan (balok A); balok dengan perkuatan CFRP sepanjang 1000 mm di bawah permukaan balok baja (balok B) dan balok dengan perkuatan CFRP sepanjang 1000 mm dari bawah permukaan balok hingga menutupi kedalaman retak 25 mm (balok C). Balok baja mempunyai tegangan leleh 327 MPa dan modulus elastisitas 210 GPa, sementara lembar unidirectional CFRP mempunyai tegangan tarik 3800 MPa dan modulus elastisitas 230 GPa. Secara berurutan, poison rasio baja dan lembar CFRP 0,3 dan 0,27. Epoxy adhesive digunakan untuk merekatkan lembar CFRP ke balok baja dan semua balok uji dibebani secara monotonik sampai belok mengalami kegagalan. Analisis Colaps 3D Finite Element Model (FEM) menggunakan Software ADINA, dimana CFRP didefinisikan sebagai material tarik dan dihubungkan ke balok baja melalui gluemesh. Hasil pengujian menunjukkan bahwa balok A mengalami kegagalan tekuk dan retak yang melebar di tengah bentang dengan kapsitas beban 10,93 kN dan lendutan 14,13 mm. Hasil ini sesuai dengan FEA yang mempunyai kapasitas beban sedikit lebih besar yaitu 12,37 kN dengan lendutan 12,98 mm. Balok B mengalami debonding dengan kapasitas beban sebesar 13,17 kN. Peningkatan ini akibat perkuatan CFRP tidak begitu besar dan sangat jauh dari kapasitas beban balok tanpa retak dengan prediksi FEA (23,61 kN dan lendutan 12,14 mm). Oleh karena itu, balok C diberi tambahan perkuatan pada kedua ujung lembar SCH-41 untuk menghindari kegagalan debonding. Hasil pengujian balok C menunjukkan bahwa kapasitas beban sebesar 20,87 kN dengan lendutan 13,95 mm. Studi ini menunjukkan bahwa perbaikan balok C dengan lembar CFRP efektif meningkatkan kapasitas beban balok baja ketika dapat menghindari debonding.

Fiber Reinforced Polymers (FRPs) has been extensively used in structural rehabilitation. Repair dan rehabilitation system using CFRP are efficient compare with convensional system. To obtain an accurate prediction, finite element model must capable to properly load bearing capacity and displacement to the Square Hollow Section (SHS) beams (100 mm x 100 mm; thick 2,1 mm and length 2000 mm). The beams having an artificial crack (width 3 mm, depth 25 mm) at mid-span on tension side and externally repaired with CFRP (SCH-41, thickness 1 mm). There were three beam specimens: one beam without repair (beam A); one beam reinforced with CFRP sheet 1000 mm length at bottom face (beam B); and the last one reinforced with CFRP sheet 1000 mm length at bottom face and both side faces of 25 mm depth (beam C). The steel beam has yield strength of 327 MPa and modulus of elasticity of 210 GPa, while the unidirectional CFRP sheet has tensile strength of 3800 MPa and modulus of elasticity of 230 GPa. Poisson of ratio of the steel beam and CFRP are 0.3 and 0.27, respectively. Epoxy adhesive was used to attach the CFRP sheet to steel beams, and all beam specimens were monotonically loaded until failure according to four-point bending test configuration. Collapse analysis of 3D finite element model was performed using ADINA, where CFRP sheet was defined as tension material and connect via gluemesh to steel beam. The test results showed that beam A failed due to local buckling and cracked opening at mid-span having load bearing capacity of 10.93 kN at mid-span displacement equaled to 14.13 mm. These results well agreed with the FEA though the load bearing capacity given by FEA is slightly higher, which is 12.37 kN at displacement equal to 12.98 mm. In the case of beam B, debonding failure was observed at maximum load bearing capacity of 13.17 kN. This increase due to CFRP reinforcement is not much and far less the loadbearing capacity of the steel beam without crack predicted by FEA (23.61 kN at displacement equals to 12.14 mm). Therefore, the beam C was intentionally reinforced at both ends to postpone debonding failure. The bending test showed this new beam C had load bearing capacity 20.87 kN at displacement equal to 13.95 mm. This study indicates that repair of steel beams with CFRP sheets is an effective means of increasing load bearing capacity of steel beams when debonding is successfully postponed.

Kata Kunci : CFRP, finite element analysis, repair, SHS steel beam, crack, debonding failure