My research

Kuat Geser Balok Beton Bertulang High Volume Fly Ash-Self Compacting Concrete (HVFA-SCC)

February 26, 2022
halwanalfisa

Beton High Volume Fly Ash-Self Compacting Concrete (HVFA-SCC) merupakan inovasi terbaru dalam teknologi beton yang merupakan penggabungan antara jenis beton memadat sendiri Self Compacting Concrete (SCC), dan beton High Volume Fly Ash (HVFA). Berbeda dengan beton SCC, beton HVFA-SCC memiliki kandungan abu terbang atau fly ash nya yang cukup tinggi (50% atau lebih dari total bahan semen). Beton HVFA-SCC juga memiliki kemampuan seperti halnya beton SCC yaitu mampu mengalir dan mengisi ruang-ruang sempit dalam cetakan, sehingga relatif tidak memerlukan pekerjaan pemadatan beton dalam proses pengecoran. Hal ini menyebabkan waktu konstruksi dan faktor kesalahan manusia dalam pekerjaan pemadatan beton dapat ditekan seminimal mungkin. Di sisi lain, pemanfaatan fly ash sebagai bahan subtitusi material semen dalam campuran beton HVFA-SCC dapat mengurangi jumlah limbah (yaitu fly ash itu sendiri) dan menekan laju emisi CO2 (yang dihasilkan dalam proses pembuatan semen). Fly ash cenderung dapat mengisi pori-pori dan membuat beton lebih padat karena memiliki ukuran partikel yang lebih kecil daripada partikel semen. Hal ini menyebabkan beton HVFA-SCC memiliki sifat mekanik dan ketahanan terhadap serangan agresif lingkungan yang lebih baik dibandingkan dengan beton konvensional [1-7].

Kegagalan geser (shear failure) pada umumnya dihindari dalam perencanaan struktur beton bertulang karena perilaku keruntuhan alamiahnya yang sifatnya getas dan tiba-tiba. Jenis kegagalan ini dapat dihindari dengan cara meningkatkan kapasitas geser dari elemen struktur beton bertulang yang didesain melebihi kapasitas lenturnya. Peningkatan kapasitas geser ini dapat dilakukan dengan cara memperbesar dimensi elemen struktur, meningkatkan kuat material, dan menambahkan sengkang (tulangan geser). Dengan meningkatkan kapasitas geser, maka keruntuhan lentur (yang sifatnya lebih daktail) dapat tercapai. Akan tetapi, untuk beberapa struktur yang memang didominasi oleh perilaku geser (misalnya balok transfer pada struktur gedung, pondasi telapak, dan elemen pelat yang merupakan bagian bangunan terowongan bawah tanah) upaya pengalihan jenis keruntuhan geser menjadi keruntuhan lentur sulit untuk dicapai [8]. Hal ini membuat penelitian terkait dengan kuat geser struktur beton bertulang menjadi penting dan mendesak. Banyak penelitian terkait dengan jenis beton HVFA dan SCC telah dipublikasikan dalam satu dekade terakhir. Akan tetapi, hanya beberapa literatur yang mengkaji kuat geser dari struktur beton bertulang HVFA-SCC.

Mekanisme transfer geser pada struktur balok beton bertulang sangat dipengaruhi oleh rasio bentang geser terhadap tinggi efektif. Mekanisme ini terdiri dari arching action (aksi pelengkung) dan beam shear-carrying action (aksi balok). Arching action menjadi semakin dominan dengan semakin pendeknya bentang geser balok. Strut tekan akan terbentuk (menghubungkan titik pembebanan dan titik tumpuan) membawa seluruh kontribusi beton dalam menahan geser, sedangkan tulangan longitudinal akan berfungsi sebagai komponen pengikat yang mengambil seluruh tegangan tarik yang terjadi. Di sisi lain, mekanisme beam shear-carrying action menjadi dominan pada kasus balok dengan bentang geser yang cukup besar. Beam shear-carrying action terdiri dari: (1) uncracked concrete in the compression zone (perlawanan geser oleh beton yang belum retak); (2) aggregate interlock (gaya ikat antar agregat); (3) Dowel action (aksi pasak) pada tulangan‐tulangan longitudinal atau; (4) kuat tarik residual; dan (5) aksi tulangan geser. Proporsi dari masing-masing mekanisme tersebut bervariasi dalam setiap kasus tergantung pada sifat material, kedalaman zona tekan, kemiringan dan kekasaran retakan diagonal, serta kuat lekat antara tulangan dan beton [9]. Dalam keadaan terlentur, sebagian penampang balok akan mengalami tegangan tekan dan sebagian yang lain mengalami tegangan tarik. Kedalaman zona tegangan tekan tersebut menentukan tinggi uncracked concrete in the compression zone. Kuat tekan beton dan rasio tulangan longitudinal sangat mempengaruhi mekanisme ini. Pada bidang retak diagonal balok, aggregate interlock (kontak antara agregat dan matriks semen) memberikan ketahanan terhadap slip yang dapat mentransfer tegangan geser [10, 11]. Dowel action terjadi ketika tegangan transversal bekerja pada tulangan longitudinal. Tulangan dapat mentransfer tegangan geser melalui aksi lentur dan aksi geser [12]. Walaupun sering diabaikan kontribusinya dalam perencanaan elemen struktur, beton sebenarnya masih dapat menahan tegangan tarik bahkan setelah terjadinya retakan. Tegangan residual terjadi pada zona proses fraktur pada retakan dan berkurang nilainya seiring dengan bertambahnya lebar retak [9]. Untuk balok dengan tulangan geser, kontribusi tahanan geser oleh sengkang (tulangan geser) akan diberikan setelah terjadinya retak diagonal pertama pada balok. Setelah terjadinya pelelehan pada baja sengkang, lebar retak diagonal akan meningkat dengan cepat dan disusul dengan keruntuhan balok.

HVFA-SCC merupakan material baru dalam perkembangan teknologi beton saat ini. Oleh karena itu, studi terkait kinerja struktural HVFA-SCC masih sangat terbatas. Literatur yang tersedia mayoritas fokus pada kinerja struktural beton High Volume Fly Ash (HVFA) atau kinerja struktural beton Self-Compacting Concrete (SCC) saja. Beton HVFA dilaporkan memiliki kinerja yang tidak sebaik beton konvensional (dengan 100% semen). Beberapa penelitian telah dilakukan untuk mengatasi masalah ini. Ortega [14] dan Arezoumandi [15] melakukan evaluasi kinerja geser balok beton bertulang HVFA dengan kadar fly ash 50% dan 70% (dari total bahan semen) dan membandingkannya dengan beton konvensional. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa kuat geser balok HVFA sebanding dengan kuat geser balok konvensional. Dalam hal ini, ketentuan desain untuk beton konvensional dapat digunakan untuk perancangan elemen struktur beton HVFA. Di samping itu, pengamatan di laboratorium menunjukan bahwa perilaku keruntuhan geser balok HVFA cenderung lebih daktail dibandingkan dengan balok beton konvensional. Terkait dengan penggunaan beton SCC, beberapa peneliti meragukan penerapannya di lapangan. Ukuran aggregat yang digunakan dalam beton SCC relatif lebih kecil daripada beton konvensional. Hal ini dapat mengurangi kontribusi aggregate interlocking dalam menyumbang kapasitas geser balok secara keseluruhan. Lin dan Chen [16] melakukan eksperimen menggunakan dua kadar aggregat kasar yang berbeda dalam campuran beton SCC. Beton SCC dengan kadar aggregat kasar yang lebih banyak, memiliki kuat geser yang hampir sama dengan beton konvensional. Sebaliknya, beton SCC yang memiliki kadar agregat kasar yang lebih sedikit cenderung memiliki kapasitas geser yang lebih kecil dibandingkan dengan balok beton konvensional. Alghazali dan Myers [17] melakukan investigasi perilaku geser balok HVFA-SCC dengan variasi kadar fly ash (50%, 60%, dan 70% dari total bahan semen) dan rasio tulangan lentur (1.69%, 2.03%, dan 2.71%). Hasil eksperimen menunjukkan bahwa balok dengan kadar fly ash 70% memiliki defleksi yang lebih besar dan jumlah retak yang lebih banyak dibandingkan balok dengan kadar fly ash 50% dan 60%. Balok HVFA-SCC dengan rasio tulangan lentur terkecil (1.69%) memiliki kuat geser yang lebih besar daripada beton konvensional. Akan tetapi, penambahan rasio tulangan lentur (menjadi 2.03% dan 2.71%) tidak memberikan penambahan kuat geser yang signifikan. Beberapa penelitian yang telah dilakukan oleh penulis di Universitas Sebelas Maret berhasil mengklarifikasi hasil eksperimen tersebut. Kuat geser balok HVFA-SCC (tanpa tulangan sengkang) lebih besar daripada balok beton konvensional. Ikatan kuat yang terbentuk antara beton HVFA-SCC dengan tulangan lentur dapat menghambat perkembangan lebar retak diagonal geser yang terjadi, dan mengkompensasi berkurangnya kapasitas geser akibat menurunnya kontribusi aggregate interlocking [18-21]

Referensi 

  1. Li, “Properties of high-volume fly ash concrete incorporating nano-SiO 2,” Cem. Concr. Res., 2004, doi: 10.1016/j.cemconres.2003.11.013.
  2. Siddique, “Performance characteristics of high-volume Class F fly ash concrete,” Cem. Concr. Res., 2004, doi: 10.1016/j.cemconres.2003.09.002.
  3. Hemalatha and A. Ramaswamy, “A review on fly ash characteristics – Towards promoting high volume utilization in developing sustainable concrete,” Journal of Cleaner Production. 2017, doi: 10.1016/j.jclepro.2017.01.114.
  4. H. Huang, S. K. Lin, C. S. Chang, and H. J. Chen, “Mix proportions and mechanical properties of concrete containing very high-volume of Class F fly ash,” Constr. Build. Mater., 2013, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2013.04.016.
  5. Dinakar, K. G. Babu, and M. Santhanam, “Durability properties of high volume fly ash self compacting concretes,” Cem. Concr. Compos., 2008, doi: 10.1016/j.cemconcomp.2008.06.011.
  6. Durán-Herrera, C. A. Juárez, P. Valdez, and D. P. Bentz, “Evaluation of sustainable high-volume fly ash concretes,” Cem. Concr. Compos., 2011, doi: 10.1016/j.cemconcomp.2010.09.020.
  7. Bouzoubaâ, M. H. Zhang, and V. M. Malhotra, “Mechanical properties and durability of concrete made with high-volume fly ash blended cements using a coarse fly ash,” Cem. Concr. Res., 2001, doi: 10.1016/S0008-8846(01)00592-0.
  8. Collins, E.C. Bentz, E.G. Sherwood. “Where is Shear Reinforcement Required? Review of Reseacrh Results and Design Procedures”, ACI Structural Journal, V 105-5, 591-600 (2008)
  9. F. Ruiz, A. Muttoni, J. Sagaseta. “Shear Strength of Concrete Members without Transverse Reinforcement: A Mechanical Approach to Consistently Account for Size and Strain Effects”, Engineering Structures, V 99, 360-372 (2015)
  10. C. Walraven. “Aggregate Interlock: A theoritical and Experimental Analysis”, (Doctoral Dissertations) TU Delft (1980)
  11. Sagaseta, R.L. Vollum. ” Influence of aggregate fracture on shear transfer through cracks in reinfoced concrete “, Magazine of Concrete Research, V 63-2, 119-137 (2011)
  12. S. Panda, A.R. Gangolu. ” Study of Dowel Action in Reinforced Concrete Beam by Factorial Design of Experiment “, ACI Structural Journal, V 144-6, 1495-1505 (2017)
  13. K. Wight, J. Mac Gregor. “Reinforced Concrete Mechanics and Design”, Pearson, E 6 (2012)
  14. A. Ortega, “Shear and fracture behaviour of high-volume fly ash reinforced concrete for sustainable construction,” (Doctoral Dissertations) Missouri University of Science and Technology , 2012. Paper 2259.
  15. Arezoumandi, J.S. Volz, J.J. Myers, “Shear behaviour of high-volume fly ash concrete versus conventional concrete”, Am. Soc. Civ. Eng. J. Struct. Eng. 25 (10) (2013) 1506-1513
  16. Lin, J. Chen, “Shear behavior of self-consolidating concrete beams, ACI Struct. J. 109 (3) (2012) 307-315.
  17. H. Alghazali, J.J. Myers. “Shear behaviour of full-scale high volume fly ash-self consolidating concrete (HVFA-SCC) beams”, Construction and Building Materials 157(2017) 161-171
  18. D. Pambudi, A.S. Budi, S.A. Kristiawan, “Kajian Uji Geser Murni Beton HVFA Memadat Sendiri teradap Beton Normal”, Matriks Teknik Sipil, Vol 7, No 4 (2019): Desember
  19. Prasetyo, A.S. Budi, S.A. Kristiawan, “Kapasitas Geser Balok Beton Bertulang HVFA Memadat Sendiri Dengan Kadar Fly Ash 60% Terhadap Beton Normal”, Matriks Teknik Sipil, Vol 7, No 4 (2019): Desember
  20. Aryono, A.S. Budi, H.A. Saifullah, “Kapasitas Geser Balok Beton Bertulang HVFA Memadat Sendiri Dengan Kadar Fly Ash 50% Terhadap Beton Normal”, Matriks Teknik Sipil, Vol 8, No 1 (2020): Maret