LAPORAN AKHIR TAHUN PENELITIAN PASCA DOKTOR BOUNDARY ELEMENT INVERSE ANALYSIS SEBAGAI TEKNIK DETEKSI KOROSI LOKAL PADA BETON BERTULANG Tahun ke-1 dari rencana 2 tahun DR. SYARIZAL FONNA, S.T, M.Sc (NIDN 0027107801) PROF. DR.ENG. GUNAWARMAN (NIDN 0019126611) Dibiayai oleh: Direktorat Riset dan Pengabdian Masyarakat Direktorat Jenderal Penguatan Riset dan Pengembangan Kementerian Riset, Teknologi, dan Pendidikan Tinggi Sesuai dengan Kontrak Penelitian Nomor: 105/SP2H/LT/DPRM/IV/2017 tanggal 3 April 2017 UNIVERSITAS SYIAH KUALA OKTOBER 2017
38
Embed
BOUNDARY ELEMENT INVERSE ANALYSIS SEBAGAI TEKNIK …uilis.unsyiah.ac.id/unsyiana/files/original/f8f71ffb995c8c36553d... · LAPORAN AKHIR TAHUN PENELITIAN PASCA DOKTOR BOUNDARY ELEMENT
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
LAPORAN AKHIR TAHUN
PENELITIAN PASCA DOKTOR
BOUNDARY ELEMENT INVERSE ANALYSIS SEBAGAI TEKNIK DETEKSI KOROSI LOKAL PADA BETON
BERTULANG
Tahun ke-1 dari rencana 2 tahun
DR. SYARIZAL FONNA, S.T, M.Sc (NIDN 0027107801)
PROF. DR.ENG. GUNAWARMAN (NIDN 0019126611)
Dibiayai oleh: Direktorat Riset dan Pengabdian Masyarakat
Direktorat Jenderal Penguatan Riset dan Pengembangan Kementerian Riset, Teknologi, dan Pendidikan Tinggi
Sesuai dengan Kontrak Penelitian Nomor: 105/SP2H/LT/DPRM/IV/2017 tanggal 3 April 2017
UNIVERSITAS SYIAH KUALA OKTOBER 2017
ii
RINGKASAN
Deteksi dini dari korosi lokal, yaitu korosi dengan rasio anoda-katoda yang kecil, merupakan tindakan yang diperlukan untuk mencegah kerugian akibat kegagalan infrastruktur beton bertulang seperti jembatan, bangunan publik dan pelabuhan. Oleh karena itu, asesmen atau monitoring korosi, sebagai bagian integral dari perawatan (maintenance) berkala infrastruktur beton bertulang, menjadi sangat penting. Sejumlah penelitian telah dilakukan untuk mengevaluasi efektivitas deteksi korosi beton bertulang menggunakan metode konvensional seperti half-cell potential mapping technique. Namun, deteksi korosi lokal berdasarkan pada metode tersebut dapat menyebabkan interpretasi yang salah terhadap korosi yang terjadi. Hal ini menyebabkan deteksi menjadi tidak akurat. Dengan demikan, diperlukan adanya metode yang lebih handal, inovatif dan teruji dalam deteksi korosi lokal beton bertulang. Tujuan dari penelitian yang diusulkan ini adalah untuk mengembangkan kemampuan metode inverse berbasis boundary element method (BEM) dan particle swarm optimization (PSO) untuk mendeteksi korosi lokal infrastruktur beton bertulang sebagai lanjutan penelitian pada program doktoral sebelumnya. BEM merupakan salah satu metode numerik yang telah banyak digunakan untuk simulasi korosi. Sedangkan PSO adalah salah satu metode optimasi yang menjanjikan dan telah menarik minat banyak peneliti untuk menerapkannya dalam penyelesaian masalah rekayasa. Pada tahun pertama ini, pengembangan metode inverse difokuskan pada studi parametric terhadap parameter BEM dan PSO untuk mempelajari karakteristik metode yang dikembangkan. Hasil utama yang ditargetkan pada tahun pertama ini adalah pengaruh dari pelbagai parameter numerik dapat dijelaskan. Hasil simulasi memperlihatkan bahwa nilai W yang semakin kecil dengan bertambahnya iterasi (gradien W semakin negatif) memberikan akurasi solusi menjadi semakin baik. Hal ini berlaku untuk nilai Wup di luar rentang nilai W konstan dari hasil penelitian sebelumnya. Oleh karena itu, pemilihan nilai W juga perlu diperhatikan dalam penggunaan metode BEIA. Hasil simulasi dengan menggunakan BEIA juga menunjukkan bahwa jumlah partikel yang semakin banyak memberikan akurasi solusi dari permasalahan menjadi semakin baik. Akan tetapi, jumlah partikel yang semakin banyak mengakibatkan beban komputasi yang tinggi. Oleh karenanya, perlu ada kompromi dalam pemilihan jumlah partikel untuk penyelesaian persoalan deteksi korosi. Kemudian, BEIA yang telah dikembangkan tersebut diterapkan dalam deteksi korosi pada salah satu struktur beton bertulang di kawasan Aceh yang pernah terdampak tsunami 2004. Hasil simulasi menunjukkan bahwa BEIA berhasil mendeteksi lokasi dan ukuran korosi pada struktur tersebut dengan error < 5%. Melalui keseluruhan penelitian ini nantinya diharapkan bahwa metode inverse yang dikembangkan dapat menjadi teknik yang handal, inovatif dan teruji untuk mendeteksi korosi lokal infrastruktur beton bertulang dengan ketepatan yang lebih baik.
Kata Kunci: Metode inverse, BEM, PSO, deteksi korosi, beton bertulang
iii
PRAKATA
Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmatnya dengan keberhasilan
bagi kami dalam menyelesaikan laporan kemajuan penelitian dengan judul “Boundary
Element Inverse Analysis sebagai Teknik Deteksi Korosi Lokal pada Beton Bertulang”.
Penelitian ini dibiayai melalui skim Penelitian Pasca Doktor dengan nomor kontrak
134/UN11.2/PP/SP3/2017. Ucapan terima kasih kami persembahkan kepada UNSYIAH yang melalui Lembaga
Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat (LPPM) telah mempercayakan kami dengan
memenangkan proposal penelitian yang kami ajukan sehingga penelitian ini dapat terlaksana.
Kemudian, kami ucapkan terima kasih kepada pihak Fakultas Teknik dan terutama kepada
Jurusan Teknik Mesin dan Industri yang telah memberikan kerja sama yang sangat baik bagi
kelancaran penelitian ini.
Tidak lupa pula kami haturkan terima kasih kepada seluruh tim peneliti mulai dari
mahasiswa tugas akhir sampai dengan staf pengajar yang telah mencurahkan seluruh tenaga
dan pikirannya dalam melaksanakan penelitian ini. Terima kasih juga kami ucapkan kepada
semua pihak yang telah membantu terlaksananya penelitian ini yang kiranya tidak mungkin
kami sebutkan satu persatu di sini.
Banda Aceh, 31 Oktober 2017 Tim Peneliti
iv
DAFTAR ISI
Halaman
RINGKASAN ii
PRAKATA iii
DAFTAR ISI iv
DAFTAR TABEL v
DAFTAR GAMBAR vi
DAFTAR LAMPIRAN vii
BAB 1. PENDAHULUAN 1
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA 3
BAB 3. TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN 6
BAB 4. METODE PENELITIAN 7
BAB 5. HASIL DAN LUARAN YANG DICAPAI 11
BAB 6. RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA 22
BAB 7. KESIMPULAN DAN SARAN 23
DAFTAR PUSTAKA 24
LAMPIRAN 27
v
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1. Kriteria korosi beton bertulang 4
Tabel 2.2. Keterbatasan yang dimiliki half-cell potential mapping 4
Tabel 5.1 Variasi nilai gradient W dengan Wup dalam range W konstan 12
Tabel 5.2 Variasi nilai gradient W dengan Wup di luar range W konstan 15
Tabel 5.3. Luaran yang ditargetkan dan yang telah dicapai 21
vi
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Mekanisme pengukuran potensial dengan half-cell potential mapping 4Gambar 4.1. Fishbone diagram untuk Penelitian Pascadoktor 8Gambar 4.2. Diagram alir BEIA yang dikembangkan 9Gambar 5.1 Model korosi pada beton bertulang untuk keperluan simulasi pengaruh W 11Gambar 5.2 Data potensial pada permukaan beton 12
Gambar 5.3 Pengaruh nilai W konstan terhadap jumlah iterasi dalam mendapatkan solusi
12
Gambar 5.4 Profil penurunan nilai W dengan Wup = 0.5 13
Gambar 5.5 Wup = 0.5 dan grad W = 0 13
Gambar 5.6 Wup = 0.5 dan grad W = -0.015 14
Gambar 5.7 Wup = 0.5 dan grad W = -0.0245 14
Gambar 5.8 Error untuk nilai grad W dengan Wup = 0.5 15
Gambar 5.9 Profil penurunan nilai W dengan Wup = 1 15
Gambar 5.10 Wup = 1 dan grad W = 0 16
Gambar 5.11 Wup = 1 dan grad W = -0.045 16
Gambar 5.12 Error untuk nilai grad W dengan Wup = 1 17
Gambar 5.13 Model korosi beton bertulang untuk keperluan studi pengaruh jumlah partikel
17
Gambar 5.14 Jumlah partikel 5: (a) Iterasi 1; (b) Iterasi 4; (c) Iterasi 8; (d) Iterasi 12; (e) Iterasi 16; (f) Iterasi 20
18
Gambar 5.15 Jumlah partikel 20: (a) Iterasi 1; (b) Iterasi 4; (c) Iterasi 8; (d) Iterasi 12; (e) Iterasi 16; (f) Iterasi 20
18
Gambar 5.16 Pengaruh jumlah partikel terhadap jumlah iterasi dalam penemukan solusi dan error dari solusi aktual
19
Gambar 5.17 (a) Struktur beton bertulang di Peukan Bada yang menjadi objek penelitian; (b) Distribusi potensial pada permukaan beton pada kolom yang dikaji
19
Gambar 5.18 Distribusi nilai potensial (penampang A-A) hasil pengukuran half-cell potential mapping
20
Gambar 5.19 Model beton bertulang untuk deteksi korosi pada struktur terdampak tsunami
20
Gambar 5.20 Hasil simulasi untuk kasus deteksi korosi: (a) Iterasi 1; (b) Iterasi 4; (c) Iterasi 8; (d) Iterasi 12; (e) Iterasi 16; (f) Iterasi 20; (g) Iterasi 38; (h) Iterasi 45.
21
vii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran A. Bukti paper dalam status reviewer invited pada jurnal internasional– Q2; Scopus index
27
Lampiran B. Bukti telah diterima untuk dipresentasikan pada seminar internasional 28
Lampiran C. Foto acara dan sertifikat sebagai pemakalah pada seminar nasional 29
1
BAB 1. PENDAHULUAN Korosi pada infrastruktur berdampak pada kerugian suatu negara, seperti di Amerika
Serikat yang merugi 276 miliar dolar Amerika pada tahun 2002 - setara dengan 3,1% dari
gross domestic product (GDP) (NACE International, 2002). Pada tahun 2013, angka kerugian
tersebut diperkirakan meningkat sehingga mencapai 1 triliun dolar Amerika (Jackson, 2013).
Secara umum, kerugian akibat korosi pada suatu negara berkisar antara 1-5 % gross national
product (GNP) (Roberge, 2008). Sementara, Indonesia belum memiliki data yang pasti.
Indonesia merupakan negara dengan garis pantai terpanjang keempat di dunia (Dewan
Kelautan Indonesia, tanpa tahun). Hal ini menyebabkan Indonesia tidak terlepas dari
ancaman kerugian korosi yang diakibatkan oleh lingkungan air laut. Ancaman tersebut salah
satunya tertuju pada infrastruktur beton bertulang yang berupa jembatan, dermaga, bangunan
publik, dan struktur lainnya. Korosi pada beton bertulang tersebut menyebabkan penurunan
kekuatan infrastruktur sehingga mengakibatkan umur layanan (service life) menjadi lebih
singkat (Moreno et. al., 2014) seperti rubuhnya supermarket di Ontario, Kanada tahun 2012
(Ferguson, 2012) dan wahana Taman Impian Jaya Ancol tahun 2011 (Latief 2011). Ancaman
kerugian ini dapat diperburuk dengan adanya faktor eksternal seperti gempa bumi yang sering
terjadi di Indonesia. Oleh karena itu, korosi pada beton bertulang ini perlu dideteksi seawal
mungkin supaya tindakan perbaikan segera dapat diambil (Fonna et. al., 2013).
Metode half-cell potential mapping yang merujuk kepada ASTM C876 adalah salah
satu contoh teknik yang umum digunakan dalam mendeteksi korosi beton bertulang (Kelvin,
2012). Hasil yang diberikan oleh teknik ini adalah tingkat kemungkinan terjadinya korosi
berdasarkan nilai potensial permukaan beton (Ridha, et. al., 2013). Untuk kasus korosi yang
merata, teknik tersebut memberikan hasil yang baik dalam mendeteksi korosi karena nilai
potensial permukaan beton hampir sama dengan permukaan tulangan (Marinier & Isgor.
2013). Akan tetapi, permasalahan muncul ketika mendeteksi korosi lokal, yaitu korosi dengan
rasio anoda-katoda yang kecil, karena potensial permukaan beton berbeda jauh dengan
permukaan tulangan (Fonna, 2014). Selain itu, persoalan deteksi korosi beton bertulang juga
termasuk ke dalam ill-posed problem yang tidak bisa diselesaikan dengan direct method
seperti metode half-cell potential mapping (Fonna, et.al. 2016). Akibatnya, metode tersebut
tidak efektif untuk mendeteksi korosi lokal.
Untuk mengatasi permasalahan tersebut, metode inverse telah dikembangkan untuk
keperluan deteksi lokal korosi beton bertulang. Marinier & Isgor (2013) telah membangun
metode inverse berdasarkan kepada finite element method (FEM) and conjugate gradient
2
method. Akan tetapi, mengingat korosi terjadi hanya pada permukaan bahan, FEM kurang
sesuai untuk simulasi korosi dan boundary element method (BEM) dikatakan lebih sesuai
(Lan, et.al 2012). Kemudian, investigasi korosi beton bertulang juga telah dilakukan oleh
Sadowski (2013) dengan menggunakan artificial neural network (ANN). Namun, teknik ini
memerlukan banyak data pengukuran lapangan dalam menjalankan ANN untuk mendapatkan
hasil yang baik.
Pengembangan metode inverse untuk keperluan deteksi korosi lokal beton bertulang
juga telah dilakukan sebelumnya dalam jenjang program doktoral (Fonna, 2014; Fonna, et.
al., 2013). Metode tersebut berbasis pada BEM dan particle swarm optimization (PSO) dan
disebut juga boundary element inverse analysis (BEIA). BEIA dijalankan dengan
menggunakan beberapa data pengukuran potensial permukaan beton. Akan tetapi,
kemampuan BEIA tersebut masih sangat terbatas yaitu hanya mendeteksi lokasi dan ukuran
dari korosi tunggal saja (Fonna, 2014). Sementara realita di lapangan, korosi terjadi pada
banyak tempat, berbagai ukuran dan bentuk. Selain itu, dari sudut pandang numerik, BEIA
yang telah dikembangkan juga masih menggunakan parameter weight inertia (W) konstan
dalam algoritma PSO-nya (Fonna, 2014) yang dapat membuat pencarian solusi menjadi lebih
lambat. Oleh karena itu, pengembangan lebih lanjut dari BEIA tersebut sangat diperlukan.
3
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Korosi pada Beton Bertulang
Korosi didefinisikan sebagai proses kembalinya logam ke keadaan asalnya secara
termodinamik (Schweitzer, 2010). Korosi diartikan juga sebagai serangan yang merusak pada
logam baik secara kimia maupun elektrokimia oleh lingkungannya. Pada kasus beton
bertulang, tulangan baja terkorosi akibat berinteraksi dengan lingkungan beton yang telah
terkontaminasi.
Secara umum, baja dalam beton tahan terhadap korosi karena sifat alkali dari beton yang
tinggi (pH 12-13) sehingga akan terbentuk lapisan pasif di permukaan baja (Broomfield,
2007). Akan tetapi, lapisan pasif tersebut dapat rusak akibat ion klorida (chloride attack), dan
akibat gas karbon dioksida (carbonation). Kedua peristiwa tersebut adalah penyebab utama
inisiasi korosi dari baja tulangan (Hussain, 2011).
Korosi tulangan baja di dalam beton tersebut sangat berbahaya karena dapat
mengakibatkan kegagalan dini (Fonna et. al., 2013) atau mempersingkat umur pakai dari
infrastruktur beton bertulang (Moreno et. al., 2014). Oleh karenanya, korosi ini perlu di
deteksi secara dini. Salah satu teknik deteksi korosi beton bertulang yang umum digunakan
adalah half-cell potential mapping.
2.2 Metode Half-cell Potential Mapping
Metode half-cell potential mapping dijalankan berdasarkan standar ASTM C876.
Mekanisme pengukuran dengan menggunakan metode tersebut seperti diberikan dalam
Gambar 2.1. Berdasarkan nilai potensial permukaan beton yang didapat dari pengukuran,
korosi beton bertulang dianalisa.
Tabel 2.1 memperlihatkan kriteria untuk menilai korosi tulangan yang mungkin terjadi di
dalam beton. Akan tetapi, deteksi korosi menggunakan half-cell potential mapping tersebut
memiliki beberapa keterbatasan seperti yang dirangkumkan dalam Tabel 2.2.
Oleh karena banyak keterbatasan yang dimiliki oleh half-cell potential mapping ini,
maka banyak penelitian telah dilakukan untuk mengembangkan metode lain yang lebih baik.
Salah satu pengembangan yang dilakukan adalah dengan menggunakan metode numerik
seperti pengembangan metode inverse.
4
Gambar 2.1. Mekanisme pengukuran potensial dengan half-cell potential mapping