SEBUAH SOLUSI MATERIAL BARU DI BIDANG JEMBATAN, …

JURNAL TEKNIK SIPIL

Jurnal PROKONS Politeknik Negeri Malang 73

SEBUAH SOLUSI MATERIAL BARU DI BIDANG JEMBATAN, FRP TAUFIQ-GIRDER: KONSEP DAN PERILAKU

Taufiq Rochman1, Agoes Soehardjono

2, Achfas Zacoeb

3

1Dosen Jurusan Teknik Sipil Politeknik Negeri Malang

2,3Dosen Jurusan Teknik Sipil Universitas Brawijaya Malang

E-mail: [email protected]

Abstrak

Gelagar T beton bertulang konvensional sudah sangat lazim digunakan terutama pada struktur jembatan

dengan bentang 5m – 25m. Akan tetapi sebenarnya, berat sendiri jembatan murni beton bertulang sangatlah berat.

Pelaksanaan jembatan balok T ini juga sering mengalami kendala di lapangan pada banyaknya perancah serta

schaffolding yang digunakan khususnya bila dasar sungai sangat curam. Seandainya pun dapat dilaksanakan, resiko

bahaya banjir serta stabilitas tanah dan jembatan selama proses pelaksanaan sangat rentan untuk terganggu,

akibatnya lendutan awalpun menjadi sangat besar. Bahan FRP dapat menjadi alternatif yang baik karena rasio

kekuatan terhadap beratnya sangat tinggi.

Penggunaan FRP dalam teknik sipil telah dipelajari dan didiskusikan dalam berbagai karya ilmiah oleh para

peneliti asing yang rata-rata menyoroti aplikasi dari FRP sebagai bahan perbaikan dari struktur yang telah ada

(retrofit) dan mereka mengatakan FRP berpotensi menjadi bahan bangunan dan sistem struktur yang pintar

(smart/intelligent). Akan tetapi jarang sekali yang meneliti struktur yang baru dengan menggunakan FRP sebagai

bagian dari struktur primer. Dan kalaupun ada, beberapa dari penelitian itu menggunakan FRP sebagai pelat lantai.

Adapun gelagar FRP masih merupakan suatu teka-teki penelitian yang amat menarik.

Penulis mengusulkan sebuah gelagar baru yang diberi nama TAUFIQ (Totally Audacity U-Fibered Intelligent

Quality)-girder. Dalam tulisan ini akan dikupas perkembangan, konsep dan perilaku umum gelagar TAUFIQ.

Kata-kata kunci: serat berlapis, gelagar TAUFIQ, lamina.

1. PENDAHULUAN

1.1 Latar belakang

Struktur ringan pada masa kini merupakan komponen yang sangat penting pada pengembangan

produksi pada semua lini industri (Zemcik, 2006). Tidak seperti bahan tradisional kebanyakan semisal

kayu, baja atau beton, FRP (fiber reinforced polymer/plastic) sebagai bahan komposit berlapis merupakan

salah satu bahan dasar struktur ringan dengan spesifikasi yang tinggi terutama dalam kekakuan dan

kekuatan sehingga menjanjikan alternatif penggantian bahan struktur konvensional. Karakteristik itu

adalah rasio yang tinggi antara kekuatan terhadap berat dan rasio yang tinggi pula antara kekakuan

terhadap berat, yang intinya terletak pada densitas yang ringan. Keunggulan lainnya adalah performa

ketahanan terhadap korosi dan pengaruh serangan kimiawi, awet, umur lelah yang lama, stabilitas

dimensi, ketahanan terhadap api, ketahanan terhadap benturan (crashworthiness), tahan terhadap

perambatan keretakan, serta mampu menyerap energi selama deformasi (Suseno, 1996), tahan terhadap

beban kejut dan panas (Setyo, 1997), dapat dibentuk dengan mudah pada sebarang geometri, mudah

dibuat sendiri dengan bahan relatif murah yang banyak tersedia di pasaran, dapat disambung tanpa

menggunakan baut, keling ataupun las sehingga mempunyai permukaan finishing yang sempurna,

konduktifitas suhu yang rendah. Harga yang murah dan perawatan yang mudah dari resin dan serat kaca

menggantikan kayu yang rentan terhadap serangan biologis seperti rayap, sehingga biaya perawatan

menjadi jauh lebih rendah.

Penggunaan FRP dalam teknik sipil telah dipelajari dan didiskusikan dalam berbagai karya ilmiah

oleh para peneliti seperti Tarek (2010), Freymond dan Maceri (2005), Bank (2006), USACE (2007) serta

Qasrawi (2007). Para peneliti ini menyoroti dua aplikasi dari FRP yaitu perbaikan dari struktur yang telah

ada dan pembangunan struktur yang baru dengan menggunakan FRP sebagai bagian dari struktur primer

dan mereka mengatakan FRP berpotensi menjadi bahan bangunan dan sistem struktur yang pintar

(smart/intelligent).

JURNAL TEKNIK SIPIL

Jurnal PROKONS Politeknik Negeri Malang 74

1.2 Perumusan Masalah

1. Bagaimana analisis gelagar FRP ini terhadap tegangan yang terjadi ?

2. Apakah gelagar FRP ini dapat dipakai dan aman untuk struktur jembatan ?

1.3 Pembatasan Masalah

1. Gelagar kotak FRP yang diuji ialah TAUFIQ-Girder yang terbuat dari bahan komposit berlapis

berserat gelas tipe E, beserta matriksnya yaitu resin atau epoxy yang diasumsikan bersifat isotropis

transversal dalam arah longitudinal seratnya dan elastis linier.

2. Pengaruh suhu tidak diperhitungkan karena bahan yang digunakan dalam proses pembuatannya adalah

jenis termoseting, bukan termoplastik.

3. Beban adalah mengikuti pembebanan mati dan hidup, baik beban D dan beban T untuk jembatan jalan

raya

1.4 Tujuan

Tujuan telaah pustaka ini adalah untuk mensosialisasikan konsep dan perilaku gelagar baru FRP

sehingga menanamkan opini pada publik pemerintahan, akademis dan umum untuk memanfaatkan,

menerapkan serta mengembangkan hasil teknologi struktur jembatan berbasis bahan FRP yang murah,

relatif mudah dan cepat dalam pelaksanaannya, mempunyai kapasitas struktur yang baik serta unsur

estetika yang indah.

2. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Bahan Komposit Berlapis

Bahan komposit berlapis (laminated composite material) dibuat dari dua atau lebih lapisan serat-

serat yang berukuran sangat halus (berdiameter antara 5-15 m) yang direkatkan dalam suatu bahan yang

disebut matriks. Bahan serat dapat terbuat dari Kevlar, karbon atau gelas, yang masing-masing lapisannya

(lamina) bersifat isotropis transversal dalam satu arah longitudinal seratnya yang merupakan penguat

utama dalam menahan beban. Bahan serat memiliki karakteristik bermutu tinggi, tetapi ringan, getas dan

berdiameter kecil.

Matriks terbuat dari perekat khusus yang kuat biasanya disebut resin seperti epoxy, dan sejenisnya

dan dapat berupa bahan organik, keramik atau metalik yang menyatukan serat secara bersama-sama

menjadi suatu unit struktur dan melindungi serat dari kerusakan luar serta mentransfer dan

mendistribusikan beban yang bekerja ke serat. Matriks ini dalam banyak kasus juga memberikan

kontribusi sifat yang diperlukan seperti daktilitas, keteguhan (toughness) dan sebagainya. Polimer ialah

bahan matriks yang paling banyak digunakan dan paling mudah untuk dikombinasikan dengan bahan

serat yang dilapiskan dalam struktur komposit berlapis.

Di antara bahan-bahan komposit, yang paling digunakan secara luas adalah komposit yang

diperkuat serat FRP (fiber reinforced polymer) yang disusun berlapis-lapis untuk mencapai sifat mekanis

yang diinginkan. Meskipun bahan komposit adalah bahan heterogen yang harus dianalisis nonlinier

(materially nonlinear), ada pula teori yang memperlakukannya secara homogen pada arah tertentu setiap

layer, dan bahkan adapula yang mengasumsikan secara homogen penuh sebagaimana teori ESL

(equivalent single layer) yang akan diperinci oleh Tanov (2000).

Beberapa hal yang sangat mempengaruhi pertimbangan disain struktur komposit berlapis adalah

arah orientasi sudut serat ortotropis masing-masing lapisan, rasio antara modulus bidang dengan modulus

geser transversal (E/G) serta urutan penyusunan lapisan (ply stacking sequence) dari lamina. Dengan arah

sudut ortotropi serat yang sesuai pada setiap lamina, parameter kekuatan dan kekakuan dapat dicapai

(Khare dan Kant, 2004).

2.2 Aplikasi FRP untuk rekayasa teknik sipil

Penggunaan bahan komposit secara penuh untuk struktur dilakukan pada jembatan cancang kabel

Aberfeldy, Skotlandia (Skinner, 2009 dan Busel, 2009). Jembatan ini mempunyai bentang total 113m dan

JURNAL TEKNIK SIPIL

Jurnal PROKONS Politeknik Negeri Malang 75

bentang utama 63 m selebar 2.23 m dan memiliki sejumlah 40 kabel pada dua bidang pada pilon setinggi

18 m. Struktur pilon, gelagar, lantai dan bahkan kabel jembatan ini terbuat dari 14.5 ton bahan komposit.

Gelagar, parapet dan pilon terbuat dari GRP, sedangkan kabel dari Parafil yang terbuat dari serat aramid

Kevlar yang dilindungi coating polyethylene. Sedangkan GRP terbuat dari serat gelas tipe-E dan

isophthalic polyester resin. Keseluruhan struktur dirakit hanya dalam 8 minggu. Gambar 1 a)

memperlihatkan struktur Jembatan Aberfeldy, sedangkan bentuk gelagar Jembatan Aberfeldy ditampilkan

pada Gambar 1 b).

Gambar 1. a) Jembatan komposit penuh Aberfeldy, b) Bentuk gelagar jembatan Aberfeldy berbahan komposit penuh Sumber: Skinner dan Busel, 2009

Saat ini banyak dilakukan penelitian tentang penggunaan bahan komposit untuk teknik sipil. Amir

Fam dari Universitas Queen meneliti gelagar komposit pada tahun 1996, kolom dan pier jembatan pada

tahun 2000, serta pelat lantai pada tahun 2003 seperti yang tampak pada Gambar 2.

Gambar 2. a) Kolom FRP, b) Pier FRP isi beton c) Pelat lantai FRP Sumber: Fam, 2005

Jenis CFCC (carbon fiber cement concrete) dikembangkan di Jepang sebagai bahan strand dan

tendon prategang dan diterapkan pada Jembatan Hisho dan ini menunjukkan kekuatan bahan komposit.

Gambar 3. Strand dan tendon CFCC Sumber: Bussel dan Motavalli, 2007

JURNAL TEKNIK SIPIL

Jurnal PROKONS Politeknik Negeri Malang 76

Gambar 4. Strand dan tendon CFCC pada Jembatan Hisho Sumber: Bussel dan Motavalli, 2007

Gelagar boks untuk jembatan dengan bahan komposit juga dapat ditemukan pada Jembatan Tech21

di Ohio seperti yang tampak pada Gambar 5. Gelagar bok ini sangat ringan sehingga mobilisasi ke lokasi

proyek dapat dilakukan dengan mudah dan cepat.

Gambar 5. Jembatan Tech21, Ohio bergelagar boks komposit Sumber: Busel, 2009 dan Farhey, 2005

Gambar 6 dan Gambar 7, memperlihatkan bahan komposit yaitu serat nano yang merupakan bahan

komposit dengan kekuatan sangat tinggi dan juga serat gelas dan beberapa aplikasinya pada dunia industri

konstruksi, seperti batang tulangan beton dari GFRP dan profil hollow serta profil I dari FRP.

Gambar 6. Serat nano, serat gelas, serta lembaran komposit dengan serat acak Sumber: http://www.e21.com , http://www.gtresearchnews.gatech.edu

JURNAL TEKNIK SIPIL

Jurnal PROKONS Politeknik Negeri Malang 77

Gambar 7.Tulangan beton GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) yang terbuat dari serat Basalt Sumber: http://www. pulwell.en.made-in-china.com

Gambar 8. Profil FRP yang banyak terdapat di pasaran Sumber: http://www.diytrade.com

Gambar 9. Foto mikroskopik SEM (scan electron microscope) penampang serat dan matriks Sumber: Nanotech dan AAC

3. METODE ANALISIS

3.1 Backward Analysis

Untuk mendapatkan hasil penelitian yang akurat dan representatif, maka perlu dilakukan analisis

balik (backward analysis) secara global dalam struktur jembatan sebenarnya. Analisis ini sangat

diperlukan untuk menentukan besarnya parameter pembebanan, sifat mekanis bahan, memprediksi

besarnya beban layan yang bekerja, konsentrasi tegangan dalam penampang lokal yang ditinjau serta

perilaku kehancurannya dalam rangka memprediksi dimensi dan spesifikasi spesimen pengujian dan

kapasitas peralatan uji terkait dengan range beban monotonik dan dinamis yang diberikan sehingga

struktur tetap responsif terhadap beban akan tetapi memperoleh data yang lengkap sebelum

kehancurannya.

JURNAL TEKNIK SIPIL

Jurnal PROKONS Politeknik Negeri Malang 78

3.2 Dimensi Tipikal Jembatan Sebenarnya

Dimensi dari jembatan mengikuti standar jembatan tipe-T kelas A dengan kelas muatan BM 100

(100% muatan T dan muatan D) bentang 25 m, lebar jalur lalu lintas atau lantai kendaraan 7.00 m, lebar

trotoir 2 x1.0 m dan lebar total 9.6 m, sejumlah 5 buah gelagar atau 6 buah gelagar beton bertulang

nonprategang pada Gambar 10.

Gambar 10. Dimensi tipikal gelagar tipe-T beton prategang untuk bentang 25 m Sumber: Standar Bangunan Atas Gelagar Beton Prategang-Direktorat Jenderal Bina Marga (dalam cm), 1993

Gambar 11. Dimensi tipikal gelagar tipe-T beton bertulang untuk bentang 25 m Sumber: Standar Bangunan Atas Gelagar Beton Bertulang-Direktorat Jenderal Bina Marga (dalam mm), 1993

3.3 Analisis Detail dan Tegangan TAUFIQ-girder

Perbandingan dilakukan dengan memodelkan gelagar FRP dengan metode elemen hingga

dilakukan dengan memodelkan setiap lapisan menjadi elemen benda pejal seperti Gambar 12.

JURNAL TEKNIK SIPIL

Jurnal PROKONS Politeknik Negeri Malang 79

Gambar 12. Elemen cangkang tebal (solid shell) untuk memodelkan slip dan tegangan interlaminar

Sedangkan dimensi jembatan dengan gelagar FRP ialah sebagai berikut:

Gambar 13. Dimensi gelagar FRP TAUFIQ-Girder untuk bentang 25 m

Jembatan dibuat dengan lebar 9.6m dan bentang 25m. Gelagar FRP direncanakan berjumlah 5 buah

mengikuti standar Bina Marga dengan jarak gelagar sebesar 2000 mm, tinggi 1120 mm dan ketebalan 30

mm. Tebal tipikal pelat lantai jembatan adalah 200 mm sebagaimana terlihat pada Gambar 3.4. Struktur

gelagar FRP dimodelkan sebagai elemen cangkang dan struktur pelat lantai dimodelkan sebagai elemen

solid 3D sebagaimana terlihat dalam Gambar 14 dan Gambar 15.

Gambar 14. Potongan pemodelan penampang jembatan FRP

Gambar 15. Pemodelan 3D jembatan FRP dengan bentang 25 m Sumber: Rancangan

Elemen cangkang Elemen

Solid

2000 2000 2000 2000

1120 mm

200 mm

9600

JURNAL TEKNIK SIPIL

Jurnal PROKONS Politeknik Negeri Malang 80

Untuk meneliti perilaku jembatan FRP terhadap gaya dalam normal tarik dan tekan secara murni

misalnya, maka jembatan sesungguhnya atau full scale dapat diisi dengan beton (concrete in-filled) tanpa

diperlukan adanya suatu penghubung geser. Hal ini untuk menghindarkan FRP dari pengaruh sekunder

seperti tekuk, slip, torsi dan delaminasi serta memastikan perilaku yang sedang ditinjau bukan aksi

komposit antara FRP dan beton akan tetapi antar lapisan dalam FRP sehingga yang dominan hanyalah

lentur murni yang menghasilkan tegangan normal tarik dan tekan.

Adapun pembebanan dapat dipilih dengan dua cara. Pertama, beban ”D” hasil dari beban roda ”T”

yang telah ditransformasikan, diekivalensikan dan disederhanakan untuk tujuan disain menjadi beban

UDL sebesar q=2.2 t/m dan beban garis (KEL) sebesar P=12 ton sebagaimana terlihat pada Gambar 16.

Gambar. 16. a) Diagram beban ”D” tersebar merata (UDL) dan beban garis (KEL) b) Beban truk “T” sebesar 2.5 t (25 kN) dan 10 t (100 kN) Sumber: Bina Marga, BMS

Kedua, beban ”T” setiap titik roda sebesar 2.5 t dan 10 t berturut-turut untuk roda depan dan

belakang. Kedua cara ini menghasilkan hasil yang hampir sama sebagaimana terlihat pada Gambar 17.

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

Gambar 17. Tegangan Sxx jembatan FRP sebenarnya terjadi di tengah bentang sebesar 78.5 MPa: a) tampak atas, b) tampak bawah c) Distribusi tegangan Sxx di tengah bentang girder-3

a)

b)

c)

JURNAL TEKNIK SIPIL

Jurnal PROKONS Politeknik Negeri Malang 81

Gambar 18. Tegangan Jembatan FRP a) SYY tampak atas sebesar 155 MPa, b) SXY tampak bawah sebesar 37.9 Mpa c) Distribusi tegangan Syy pada daerah tumpuan girder ke-3 d) Distribusi tegangan Sxy pada daerah tumpuan girder ke-3

Gambar 19. Tegangan Sxx dari jembatan FRP sebenarnya terjadi di tumpuan sebesar 168.7 MPa untuk tekan dan 198.25 MPa untuk tarik (tampak bawah)

a)

b)

JURNAL TEKNIK SIPIL

Jurnal PROKONS Politeknik Negeri Malang 82

Analisis secara kasar menunjukkan, berdasarkan Gambar 17, gelagar FRP setebal 30 mm untuk

bentang jembatan 25 m akan mampu menahan tegangan normal tarik sebesar 78.5 Mpa, karena menurut

literatur tegangan hancur bahan komposit dengan sudut serat 0 berada di sekitar angka 1000 MPa. Akan

tetapi, menurut Gambar 18a, tegangan normal tekan khususnya di daerah tumpuan mempunyai nilai yang

cukup besar yaitu berkisar 155 Mpa yang mendekati kisaran 120 – 200 Mpa untuk serat bersudut 90

sehingga perlu ada penebalan atau diisi dengan beton disekitar tumpuan untuk menghindari adanya

kehancuran tumpu atau bahkan tekuk pada badan gelagar FRP. Sedangkan menurut Gambar 18b,

tegangan geser cukup besar yaitu sekitar 37.9 Mpa mendekati kehancurannya pada kisaran 40 MPa.

Kehancuran lokal menurut Gambar 19, diperkirakan akan terjadi pada sekitar tumpuan, sebesar

168.7 MPa untuk tegangan tekan dan 198.2 MPa untuk tegangan tarik sehingga diperlukan beberapa

pengaku lokal atau diisi beton (concrete in-filled) sekitar 30 cm pada daerah tumpuan.

5. KESIMPULAN

Struktur jembatan TAUFIQ girder dari bahan FRP merupakan struktur jembatan yang handal,

aman, murah serta relatif mudah dilaksanakan dibanding jembatan balok T, prategang, jembatan gantung

dan lain-lain yang harus menggunakan crane berkapasitas besar, gantry maupun lifting equipment yang

canggih. Engineer nasional dapat menguasai teknologi jembatan FRP dengan baik, dengan

memperhatikan hal-hal yang penting sebagai berikut:

1. Teknologi komposit harus mendapat perhatian khusus terutama yang menyangkut jenis serat, arah

serat, jumlah lapisan, tipe resin dan metode pembuatan laminat FRP.

2. Analisis yang teliti sangat diperlukan untuk mendesain struktur gelagar komposit FRP.

Untuk lebih dapat menganalisis TAUFIQ-girder secara sempurna bisa digunakan software seperti

MIDAS/Civil, Larsa, TNO DIANA, ANSYS, ABAQUS dan sebagainya.

6. DAFTAR PUSTAKA

Busel, J.P. Composites Industry’s Perspective on Transportation Infrastructures Opportunities. Virginia

Fiber Reinforced Composites Showcase, Bristol.

Bank, Lawrence. 2006. Composites for Construction: Structural Design with FRP Materials. John Wiley

& Sons, Inc.

M. Fremond dan F. Maceri. 2005. Mechanical Modeling and Computational Issues in Civil Engineering.

Lecture Notes in Applied and Computational Mechanics. Springer

Qasrawi, Yazan. 2007. Flexural Behaviour Of Spun-Cast Concrete Filled Fibre Reinforced Polymer

Tubes For Pole Applications. Master Thesis. Queen’s University of Canada.

Rochman, Taufiq. 2002. Analisis Pelat Persegi Berlapis Model Levinson dari Bahan Komposit dengan

Menggunakan Metode Elemen Hingga. Tesis S2. Universitas Brawijaya Malang.

Suseno, H. 1996. Penerapan Metode Elemen Hingga pada Analisis Struktur Pelat Klasik dari Bahan

Komposit Satu Arah Akibat Aksi Gabungan Beban Lateral Merata dan Gaya-gaya Aksial Tekan.

Malang: Laporan Penelitian Fakultas Teknik Universitas Brawijaya

Setyo, E. 1997. Analisis Pelat Persegi Model Reissner-Mindlin dari Bahan Komposit Satu Arah dengan

Sudut Ortotropi Bervariasi Menggunakan Metode Elemen Hingga. Skripsi S1. Universitas

Brawijaya Malang.

Skinner, J.M. 2009. “A Critical Analysis of The Aberfeldy Footbridge, Scotland”. Proceeding of Bridge

Engineering 2. Conference in University of Bath, UK. File: SKINNER.pdf

Tarek, 2010. “Flexural Behaviour of Sandwich Panels Composed Of Polyurethane Core And GFRP Skins

and Ribs”. PhD. Thesis. Queen’s University of Canada. File: Sharaf_Tarek_A_201008_PhD.pdf

US Army Corps of Engineers. 1997. Engineering and Design: Composite Materials For Civil

Engineering Structures.

Zemcik, R. dan Rolfes, R, 2006. “High Performance 4-Node Shell Element with Piezoelectric Coupling”.

Mechanics of Advanced Material and Structures. 13, pp. 393-401. File: 21808368.pdf.