Kelelahan Struktur Beton

Masa guna elemen struktur beton bertulang diartikan bahwa elemen struktur beton bertulang sudah tidak mampu menahan beban berulang.

Beban berulang dapat menyebabkan kelelahan (fatigue) pada struktur beton bertulang dimulai dari retak mikro, kemudian jika dibiarkan akan terjadi perambatan retak dan akhirnya mengalami keruntuhan bila keadaan batas lelah (fatigue limit state) terlampaui.

Tahapan kerusakan ini disebut Mekanisme kerusakan akibat kelelahan (fatigue Mechanism).

Kelelahan Struktur Beton

Mekanisme kerusakan akibat kelelahan fatigue Mechanism
Gambar Mekanisme kerusakan akibat kelelahan (fatigue Mechanism)
  1. Retak Mikro: Kegagalan kelelahan dimulai dengan pembentukan celah kecil yang umumnya terlihat pada permukaan luar
  2. Perambatan Retak: berawal dari terjadinya retak pada permukaan luar, kemudian secara perlahan merambat ke dalam material dengan arah yang kira-kira tegak lurus terhadap sumbu tarik utama. Hal tersebut menyebabkan melemahnya kekuatan material.
  3. Patah: Retak akibat kelelahan sedikit demi sedikit masuk lebih dalam setiap siklus tegangan yang terlihat dari permukaan sebagai garis riak berganda sampai akhirnya patah.

Kelelahan (fatigue) merupakan fenomena terjadinya kerusakan material karena pembebanan yang berulang.

Secara umum apabila pada suatu material dikenakan tegangan berulang, maka material tersebut akan patah pada tegangan yang jauh lebih rendah dibandingkan tegangan yang dibutuhkan untuk mematahkannya pada beban statik.

Kerusakan tipe ini disebut fatigue failures yang biasanya timbul pada daerah dimana terjadi konsentrasi tegangan, kondisi permukaan dan ketidaksempurnaan dari tinjauan metalurgi.

Proses kerusakan dimulai dari pembebanan berulang pada material selama waktu tertentu sehingga terbentuk regangan plastis pada daerah konsentrasi tegangan.

Regangan plastis ini akan memicu terbentuknya inisiasi retak. Tegangan tarik kemudian akan memicu inisiasi retak untuk tumbuh dan merambat sampai terjadinya kerusakan. Dalam dunia perekayasaan, kelelahan material merupakan penyebab utama (sekitar 90%) kegagalan pada struktur.

Lebar retak pada pembebanan berulang untuk pelat beton bertulang dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti :

  1. rasio tegangan baja;
  2. selimut beton;
  3. rasio tulangan;
  4. frekuensi beban;
  5. kedalaman retak; dan
  6. lebar retak awal beban statik.

Untuk memprediksi lebar retak maksimum pada pembebanan berulang, sejumlah persamaan dikembangkan berdasarkan pendekatan mekanika retakan.

Lebar retak yang berlebihan akan menyebabkan kekuatan struktur berkurang secara signifikan. Masalah retak pada pelat beton bertulang dapat terjadi dengan berbagai penyebab antara lain :

  1. akibat beban yang bekerja melebihi beban rencana,
  2. adanya aksi tambahan yang belum diperhitungkan membebani sistem struktur

Lebar retak yang melampaui batas pada struktur beton dapat menimbulkan bahaya korosi pada tulangan baja. Bila proses korosi dibiarkan dapat mengurangi kekuatan tulangan yang selanjutnya struktur akan mengalami keruntuhan.

Pengaruh beban berulang pada beban kerja, working load, sangat penting untuk beberapa struktur, terutama bila struktur berada dilingkungan yang korosif, yang mana dapat mengakibatkan kekuatan lekat antara baja tulangan dan beton berkurang sehingga lebar retak akan bertambah besar, selain itu juga kekuatan adhesi antara baja tulangan dan beton sekelilingnya menjadi hilang dan tegangan lekat hanya ditimbulkan oleh aksi mekanik saja.

Untuk menghindasi kerusakan tiba-tiba pada tingkat tegangan di bawah tegangan leleh maka perlu memasukkan faktor ketahanan lelah dalam perencanaan elemen struktur.

Dengan mengetahui kekuatan lelah maka dapat diprediksi umur lelah elemen struktur. Dalam perencanaan dengan metode kekuatan batas, lebar retak merupakan salah satu dari persyaratan kemampuan layan yang perlu diperhitungkan.

Didalam memprediksi umur lelah, terdapat tiga pendekatan yaitu :

  1. pendekatan tegangan (stress approach) atau metode umur-tegangan (stress life method),
  2. pendekatan regangan (strain approach) atau istilah lain metode umur-regangan (strain-life method) dan
  3. pendekatan mekanika patahan (fracture mechanics).

Pada tahun 1907, Van Ornum melakukan tes pada prisma 5” x 5” x 12” berumur 1 (satu) bulan dan 1 (satu) tahun. Beban yang diulang bervariasi dari hampir nol hingga maksimum, dan diterapkan pada frekuensi 2 sampai 4 cpm. Sebagian dari data dengan kurva perkiraan dari tesnya (tahun 1903), ditunjukkan pada Gambar berikut:

Gambar hubungan S-N pada beton yang dibebani tekanan aksial [1]
Kemungkinan mode kegagalan geser pada balok dengan perkuatan geser diperlihatkan pada gambar berikut:

Gambar Kemungkinan mode kegagalan geser pada balok dengan perkuatan geser: a) kelelahan pada sengkang, b) kelelahan pada beton karena tekanan pada retak geser, c) kelelahan tulangan longitudinal yang melalui retak geser dan d) kelelahan beton akibat tekakan pada web [2]
Gambar Karakteristik Tulangan yang menyebabkan berkurangnya kekuatan (karena kelelahan)

Baik beton maupun tulangan menunjukkan fenomena kelelahan di bawah pembebanan yang berulang. Dalam kelelahan beton bertulang dapat menyebabkan kegagalan tekan, lentur, geser atau ikatan antara beton dan tulangan.

Rentang tegangan yang dapat dipertahankan oleh tulangan tanpa kegagalan kelelahan tergantung pada tegangan minimum.

Tulangan ulir memiliki kekuatan kelelahan lebih kecil dibandingkan tulangan polos. Tulangan dengan las memiliki kekuatan lelah aksial 50% lebih rendah dibandingkan tulangan menerus. Korosi dapat mengurangi kekuatan lelah hingga 35% [4].

Kondisi kelelahan struktur beton bertulang harus diperhitungkan baik dalam disain struktur baru terlebih lagi dalam assessment struktur eksisting.

[1] Moore H.F. and Kommers J.B. (1927), “The Fatigue of Metals.” McGraw-Hill, Ch. XI,pp. 251-289

[2] Olsson, K. and Pettersson, J. (2010), “Fatigue Assessment Methods for Reinforced Concrete Bridges in Eurocode: Comparative Study of design Methods of Railway Bridges,” M.S. Thesis, Department of Civil and Environmental Engineering, Chalmers University of Technologgy, Goteborg, Sweden.

[3] Tilly, G.P. (1979), “Fatigue of steel reinforcement bars in concrete: A review,” Fatigue of Engineering Materials and Structures Vol. 2, pp. 251-268.

[4] Ahsan, R (2016), “Fatigue in Concrete Structures”, BSRM Seminar on Fatigue Properties of Constructional Steel.

Informasi tentang Jasa Audit Struktur pada Jembatan, Gedung, Tower, Dermaga Jalan dan bangunan lain, silahkan menghubungi kami melalui:

PT Hesa Laras Cemerlang

Komplek Rukan Mutiara Faza RB 1
Jl. Condet Raya No. 27,  Pasar Rebo, Jakarta Timur, Indonesia
Email: kontak@hesa.co.id
Telp: (021) 8404531
Mobile : 081291442210
Whatsapp Bussines : 0811 888 9409 or click this Link : Whatsapp

Atau tinggalkan pesan dibawah ini:

Tinggalkan Pesan