Aplikasi Gelombang Elektromagnetik Dalam Pendeteksian Struktur Kolom Concrete Yang Rusak Abstrak Teknologi perlapisan menggunakan polymer composit / fiber reinforced polymer (FRP) kini diaplikasikan pada kolom berjenis seismic retrofit of reinforced concrete (RC) Columns yang didesain dan dikonstruksi dibawah spesifikasi yang lebih lama. Pada makalah ini akan dibahas penggunaan teknologi pencitraan dengan gelombang elektromagnetik (EM) untuk mendeteksi gap (kekosongan dan pelemahan ikatan material struktur) antara pelapis dan kolom, yang nantinya dapat secara signifikan akan memperlemah performa struktur dari kolom. Teknologi ini didasari oleh analisa refleksi gelombang EM kontinu yang ditransmisikan dan direfleksikan dari batas perlapisan FRP - adhesive - medium concrete. Kondisi dengan Ikatan antar material yang tidak baik, termasuk didalamnya akibat adanya kekosongan (pori) pada struktur akan menyebabkan kolom terisi udara. Kehadiran udara ini selanjutnya akan menambah jumlah terjadinya refleksi gelombang EM. Pada makalah ini, konstanta dielektik dari berbagai jenis material yang digunakan pada teknologi perlapisan FRP terlebih dahulu diukur. Kemudian hasil pengukuran dipergunakan sebagai data pada simulasi komputer pencitraan Gelombang EM. Simulasi komputer menunjukkan kesulitan dalam mendeteksi struktur dengan ikatan yang tidak baik pada penggunaan gelombang EM jenis gelombang bidang, karena kontribusi scattering dari gap (kekosongan dan pelemahan ikatan material struktur) sangat kecil jika dibandingkan dengan yang diperoleh pada kolom perlapisan. Selanjutnya, untuk mengatasi kesulitan ini, teknik gating digunakan untuk mereduksi noise yang dihasilkan dari berbagai ketidakpastian yang berasosiasi dengan kolom perlapisan. Langkah terakhir adalah mengkonstruksi tiga buah kolom konkret dan melapisinya dengan lapisan FRP kaca dengan berbagai kondisi rekayasa gap. Dengan menggunakan teknologi pencitraan menggunakan gelombang EM dikombinasikan dengan penggunaan lensa yang didesain khusus dan terisnstal pada sistem, kekosongan struktur dan pelemahan ikatan dapat terdeteksi.

1. Pendahuluan Peningkatan performa struktur dari kolom RC yang diretrofit oleh pelapis komposit FRP telah banyak diaplikasikan dalam pembuatan kolom beton pada jembatan dan bangunan. Namun, kerusakan akibat gelombang seismic seperti pelemahan ikatan dan kekosongan struktur tetap menjadi perhatian, karena kerusakan tersebut tidak dapat diidentifikasi secara visual. Selain karena kerusakan akibat gelombang seismic, pada proses pelapisan menggunakan teknologi FRP, dimana secara manual komposit FRP dilapisi satu demi satu pada kolom kemudian direkatkan dengan adhesive epoxy, probabilitas untuk mengalami cacat produksi sangatlah besar. Struktur ikatan yang tidak baik pada kolom beton, yang disebabkan oleh kehadiran kekosongan pada struktur, akan mengurangi nilai integritas struktur dan tingkat keamanan kolom. Hal ini telah diteliti oleh Haroun dan Feng (1997). Pada penelitian tersebut, tiga struktur identik kolom jembatan berbentuk setengah lingkaran beserta dudukan sambungannya dibuat. Kolom pertama tidak dilapisi dengan FRP. Sedangkan dua kolom lainnya dilapisi dengan lapisan FRP kaca, yaitu kolom kedua dilapisi dengan sangat baik mengggunakan perekat adhesive epoxy, sedangkan kolom ketiga tidak terlapisi dengan baik dengan maksud untuk mendapatkan tingkat kekosongan struktur dan kelemahan ikatan struktur yang tinggi. Uji kolom dilakukan dengan memberikan gaya beban tertentu pada ketiga kolom tersebut. Hasil yang telah diperoleh diperlihatkan pada gambar 1. Namun uji tersebut tidak dapat memperlihatkan kondisi struktur kolom secara visual.

Gambar 1. Degradasi performa dan gap ( disadur dari Maria Q. Feng dkk [2000] )

Berbagai teknik dapat digunakan untuk mevisualisasikan hal ini, termasuk di dalamnya ultrasound, ground penetrating radar (GPR), impact echo dan pencitraan dengan gelombang EM. Namun metode-metode tersebut hingga tahun 2000 belum diterapkan pada teknologi perlapisan FRP ini. 2. Ikhtisar Teknologi Pencitraan Teknologi pencitraan dengan gelombang EM ini didasarkan pada analisis gelombang EM kontinu yang ditransmisikan dan direfleksikan dari medium yang berlapis diperkenalkan oleh Maria Q. Feng dkk pada tahun 2000. Telah diketahui dengan baik bahwa Gelombang EM berbentuk gelombang bidang ditransmisikan dari illuminating divais (antenna atau lensa) menuju perlapisan medium dan bertemu dengan antarmuka dielektrik, sehingga fraksi dari energi gelombang ini direfleksikan sedangkan sebagian sisanya ditransmisikan ke medium berikutnya. Dalam kasus kolom RC yang dilapisi oleh lapisan-lapisan FRP seperti yang ditunjukkan oleh gambar 2, refleksi pertama (#1) terjadi pada permukaan pelapis, sedangkan refleksi kedua (#2) terjadi pada antarmuka antara pelapis dan adhesive epoxy. Refleksi ketiga (#3) terjadi pada antar muka antara adhesive epoxy dan concrete, dengan asumsi pelapis terikat dengan sangat baik pada kolom (tidak terdapat kekosongan dan ikatan yang lemah). Sebagai tambahan, refleksi akan juga terjadi yang bersumber dari antarmuka antara concrete dan plang baja penguat serta dari internal sumber ke divais illuminating. Jika terdapat gap yang dihasilkan oleh kekosongan dan ikatan yang lemah antara komposit pelapis dan kolom, refleksi tambahan (#4) akan terjadi pada lokasi ini, seperti yang diperlihatkan pada gambar 2. Oleh karena itu, kondisi ikatan yang tidak sempurna pada prinsipnya dapat terdeteksi dengan menganalisa refleksi ini dalam domain waktu dan domain frekuensi.

Gambar 2. Mekanisme Refleksi dalam Kolom RC terlapisi ( disadur dari Maria Q. Feng dkk [2000] )

3. Pengukuran properti dielektrik menggunakan reflektometer Gelombang Bidang . Pengukuran yang akurat dari properti dielektrik dari berbagai material yang digunakan dalam FRP kolom RC telah dilakukan oleh Maria Q. Feng dkk (2000). Properti seperti konstanta dielektrik dan konduktivitas, diperlukan dalam analisa simulasi pencitraaan dengan Gelombang EM. Untuk pengukuran, sampel material yang berbentuk plat tipis dengan ukuran masing masing 25.5 cm 21.1 cm dibuat dengan bahan masing-masing adalah polymer fiber kaca, polymer carbon fiber, adhesive epoxy dan concrete. Setup eksperimen yang dilakukan oleh Maria Q. Feng dkk ditunjukkan oleh gambar 3. Sampel material dimasukkan ke dalam reflektometer yang terhubung dengan Automatic Network Analyzer (ANA), HP 8510, dan kemudian dihubungkan dengan Personal Computer (PC).

Gambar 3. Setup Eksperimen untuk pengukuran properti Dielektrik ( disadur dari Maria Q. Feng dkk[2000] )

Properti dielektrik dari setiap material yang diukur berasal dari respon sampel material dari exitasi gelombang bidang dalam ruang bebas. Terdapat dua kesulitan mendasar yang berasosiasi dengan pengukuran refleksi pada ruang bebas dan transmisi ke material sampel. Pertama, sulit untuk men-generate gelombang bidang yang uniform. Kedua, terdapat refleksi parasit dan multipel refleksi dihasilkan dalam lintasan pengukuran. Untungnya, dari penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh F. D. Flaviis dkk (1996 dan 1997), dengan desain khusus, reflektometer yang digunakan dalam penelitian ini secara virtual dapat mengeliminasi gangguan ini. F. D. Flaviis dkk (1996 dan 1997), desain reflektometer didasarkan pada penggunaan Hollow Metal Dielectric Waveguide (HMDW) sebagai medium line transmisi gelombang EM. HMDW terdiri dari pandu gelombang segiempat besar (jika dibandingkan dengan panjang gelombang) dengan dielectric tipis non resonant serta lapisan absorber pada dinding-dindingnya. Mode operasi dari struktur transmisi ini adalah mode LM11. Mode ini adalah gelombang magnetic longitudinal terpolarisasi linier dengan struktur medan simpel (tanpa null) pada seluruh arah transversal didalam interior. Sebagai tambahan, transisi tapered pandu gelombang digunakan untuk mentransformasikan mode transmisi dari pandu gelombang standar mode TE10 (untuk X band dalam unit evaluasi) ke mode reflektor LM11. Apertur reflektometer berada pada 7 x 7 panjang gelombang kuadrat (yaitu 200 mm x 200mm untuk X-band unit evaluasi). Mode LM11 reflektometer memiliki properti unik. Pertama, mode ini memiliki nilai rugi yang sangat kecil. Kedua, komponen medan longitudinal kecil, sehingga medan mendekati transverse electromagnetic, dan sebagai akibatnya hampir menyerupai gelombang bidang. Ketiga, arus longitudinal pada dinding pandu gelombang sangat kecil. Hal ini menghasilkan kecilnya difraksi pada setiap transisi dari pandu gelombang ke ruang bebas. Difraksi kecil dari mode LM11 dari tepi transisi pandu gelombang ruang bebas membuat refleksi parasit dari perimeter apertur pada bidang uji sangat rendah. Hal ini sangat cocok jika diaplikasikan pada pendeteksian kerusakan struktur kolom dengan nilai konstanta dielektrik yang berkisar antara 2 dan 4. Seperti yang diperlihatkan pada gambar 3, reflektometer memiliki empat port. Signal gelombang micro dari port 1 ANA diumpankan ke ujung kecil dari transisi tapered yang terhubung dengan port 1 HMDW coupler cross directional, dan dikonversikan dari mode TE ke mode LM. Signal melewati HMDW menyeberangi coupler pandu gelombang pada port 1. Sebagian dari signal menuju ke beban pada port 4; selagi hampir seluruh signal melaluinya; ke sampel uji pada port 3. Refleksi dari sampel kembali melalui port 3 dan terbagi menjadi komponen yang melalui source arm pada port 1 dan ke komponen major yang dicouple ke receiver/detector arm pada port 2 dari HMDW coupler. Signal terkopel kemudian melewati transisi pandu gelombang yaitu pada

arm2 dan ke port 2 pada ANA.Magnitude dari signal yang diterima pada port 2 ANA adalah proporsional dengan magnitude dari koefisien reflkeksi dari sampel material yang sedang diuji. Software yang dibangun pada penelitian ini meliputi kontrol lengkap dari pengukuran reflektometer dan fungsi ANA yang berhubungan dari PC. Kalibrasi dan pengukuran dikontrol dan ditampilkan pada PC. Koefisien refleksi pengukuran dan konduktivitas untuk berbagai material sampel ditampilkan dalam tabel 1.

Tabel 1. Pengukuran Properti Dielektrik ( disadur dari Maria Q. Feng dkk [2000] )

Gambar 4. Reflektometer HMDW ( disadur dari Maria Q. Feng dkk[2000] )

Sampel material nomor 1, 2 dan 3 yang ditunjukkan pada tabel 1 digunakan untuk tujuan kalibrasi. Perbandingan antara pengukuran dan nilai yang telah diketahui dari sampel ini menunjukkan bahwa reflektometer cocok untuk pekerjaan selanjutnya dengan tingkat akurasi yang baik.

4. Analisa Simulasi Dan Desain Lensa. Dengan menggunakan properti dielektrik dari material yang diukur dari eksperiment sebelumnya, simulasi komputer yang telah dibuat sebelumnya oleh F. D. Flaviis dkk (pada tahun 1997 hingga 1998), dieksekusi untuk mengevaluasi apakah gelombang bidang sesuai jika digunakan untuk mendeteksi ketidaksempurnaan kondisi ikatan struktur dari kolom terlapis. Hal ini meragukan karena kontribusi scattering dari kekosongan struktur dan ikatan struktur yang lemah mungkin sangar kecil jika dibandingkan dengan kolom terlapisi itu sendiri yang terlihat sebagai silinder besar yang mengkilap. Dalam simulasi komputer, kolom diperlakukan sebagai scatterer dua dimensi, dan gap yang berisi udara diasumsikan meluas ke seluruh kolom seperti yang ditunjukkan oleh gambar 5. Walaupun gap yang berisi udara ini seolah-olah tidak realistik, efek dari scattering yang berhubungan dengan gap tersebut maksimal. Sehingga, jika nilai maksimum gap saja tidak terdeteksi, nilai yang lebih kecil tentu tidak akan dapat terdeteksi.

Gambar 5. Model kolom concrete terlapis FPR dengan gap udara maksimum ( disadur dari Maria Q. Feng dkk[2000] )

Program komputer dibuat untuk model kolom pelapis ini dengan menggunakan nilai pengukuran konstanta dielektrik dan konduktivitas. Total distribusi medan listrik yang dihasilkan dari simulasi ini; menggunakan gelombang EM berbentuk gelombang bidang berfrekuensi 2 GHz seperti yang ditunjukkan oleh gambar 6; pada kolom pelapis tanpa gap udara maupun dengan kehadiran gap udara. Seperti yang telah diperkirakan, scattering yang diperoleh pada kolom menyembunyikan scattering yang disebabkan oleh gap udara (kekosongan maupun pelemahan ikatan struktur), sehingga perbedaan antara kolom dengan gap udara maupun dengan gap udara tidak dapat diobservasi.

Gambar 6. Total Distribusi Medan Listrik pada frekuensi 20GHz untuk dua kasus; tanpa gap udara dan dengan gap udara. ( disadur dari Maria Q. Feng dkk[2000] )

Kemudian hal yang sama dilakukan dengan menggunakan frekuensi 5 Ghz, namun menunjukkan hasil yang tak terbedakan, sehingga identifikasi belum dapat dilakukan. Untuk mengatasi kesulitan ini, penggunaan lensa dielektrik diperlukan untuk memfokuskan gelombang EM pada lokasi yang diinginkan. Gelombang terefleksi dari lokasi lain dimana beam tidak terfokuskan akan memiliki amplitudo yang kecil, sehingga perbedaan antara efek yang diterima oleh keadaan struktur yang rusak dapat diidentifikasi lebih efektif dengan cara ini. Konsep penggunaan lensa ini diperlihatkan pada gambar 7.

Gambar 7. penggunaan lensa dielektrik untuk memfokuskan Gelombang pada antarmuka kolom terlapis. ( disadur dari Maria Q. Feng dkk[2000] )

Gambar 8. Desain lensa dielektrik ( disadur dari Maria Q. Feng dkk[2000] )

Lensa dielektrik yang digunakan pada penelitian Maria Q. Feng dkk (2000) ditunjukkan oleh gambar 8. Lensa tidak dioptimalkan untuk pengukuran refleksi (S11), sehingga setup yang optimal akan melibatkan dua buah lensa untuk pengukuran transmisi (S21), seperti yang diperlihatkan pada gambar 9. Dengan kata lain, sebuah lensa digunakan untuk mentransmisikan gelombang, sedangkan lensa yang lainnnya digunakan untuk menerima pemantulan gelombang. Sudut antara kedua lensa yang ideal berdasarkan kualitas penerimaan gelombang adalah 40 derajat.

Gambar 9. setup untuk pengukuran transmisi dan refleksi ( disadur dari Maria Q. Feng dkk[2000] )

Untuk menghilangkan respon yang tidak diinginkan digunakan teknik time gating. Dengan teknik ini dapat dipilih waktu spesifik obeservasi penerimaan dan pemantulan gelombang. Dengan teknik ini pula dapat dihilangkan refleksi gelombang yang tidak diinginkan, seperti refleksi internal dan refleksi yang timbul karena perbedaan indeks bias udara lensa. Teknik ini diilustrasikan pada gambar 10.

Gambar 10. time gating signal refleksi ( disadur dari Maria Q. Feng dkk[2000] )

5. Verifikasi eksperiment pada pelapis RC kolom jenis FRP Teknik yang telah disimulasikan sebelumnya kemudian diaplikasikan pada tiga buah kolom concrete dengan diameter 16 in dan panjang 32 in. Dua kolom concrete dibuat tanpa bar penguat, sedangkan kolom lainnya dibuat dengan bar penguat longitudinal dengan jenis seperti yang ditunjukkan pada tabel 1 nomor 5, dengan maksud untuk mengevaluasi pengaruh bar baja pada deteksi. Setiap kolom dilapisi dengan 3 lapis pelapis FRP kaca. Tebal setiap lapisan adalah 1.143 mm. Berbagai jenis kombinasi gap udara dan pelemahan ikatan dibuat pada hubungan antara lapisan lapaisan pelapis, serta antara lapisan pelapis dengan kolom. Beberapa gap udara yang ada disebabkan oleh rongga yang terdapat pada permukaan kolom yang tetap dipertahankan walaupun terlapisi dengan lapisan pelapis, sementara gap udara yang lain timbul karena penambahan styrofoam dalam antar muka perlapisan yang memiliki properti dielektrik yang sama dengan udara.

Gambar 11 menunjukkan foto kolom yang sedang diuji oleh Maria Q. Feng dkk (1998). Lensa yang didesain khusus diletakkan pada sidepot yang dapat diubah-ubah posisinya. Lensa pertama difokuskan untuk gelombang EM yang dikirim dari ANA ke kolom, sedangkan lensa kedua menerima refleksi dari kolom. Dua buah piringan dengan permukaan halus ditempatkan dibawah masing-masing kolom, sehingga dapat memudahkan kolom untuk berputar. Dengan setingan tersebut, kolom dengan mudah dapat discan.

Gambar 11. Kolom Concrete terlapisi FRP yang sedang diuji ( disadur dari Maria Q. Feng dkk[2000] )

Analyzer menerima signal hasil refleksi dari lensa dan membandingkannya dengan nilai referensi, yaitu nilai dengan kondisi kolom yang terlapisi sempurna. Analisa domain waktu dan domain frekuensi dapat dilakukan. Program komputer dibuat untuk mengontrol pengoperasian scanning ini. Berbagai varietas gelombang EM dengan jangkauan frekuensi 11 GHz hingga 12.4 GHz diujikan.Gambar 11(a) dan 11(b) menunjukkan hasil scan dengan luas area 110 mm x 110 mm pada kolom tanpa bar penguat menggunakan frekuensi 11.0 GHz dan 12.4 GHz. Area ini memiliki lubang di kolom nya. Walaupun gap udara tidak terlihat dari luar pelapis, citra gelombang EM yang dihasilkan pada gambar 12 da 13 dapat secara jelas mengidentifikasi lokasi dan area gap udara. Citra yang dihasilkan menggunakan frekuensi yang lebih tinggi menunjukkan hasil yang lebih baik.

Gambar 12. Citra kolom concrete hasil scan( disadur dari Maria Q. Feng dkk[2000] )

Gambar 13. Citra tiga dimensi kolom concrete hasil scan ( disadur dari Maria Q. Feng dkk[2000] )

6. Kesimpulan a. Gelombang EM berbentuk gelombang bidang tidak dapat mendeteksi gap (kekosongan maupun pelemahan ikatan). Lensa dielektrik khusus diperlukan untuk memfokuskan gelombang pada daerah yang diinginkan. b. Reflektometer HMDW khusus yang digunakan untuk mengukur propeti dielektrik dari material yang digunakan sebagai bahan pelapis kolom menujukkan hasil yang cukup akurat. c. Gap (kekosongan maupun pelemahan ikatan) dapat dideteksi dengan teknologi pencitraan menggunakan gelombang elektromagnetik ini.

7. Daftar Pustaka 1. Haroun, M. A. And Feng, M. Q. Lap Splice and Shear Enhancements in CompositeJacketed Bridge Columns, Proceedings of the 3rd US-Japan Bridge Waorkshop, Tsububa, Japan, 1997. 2. Feng, M. Q., Liu, C., He, X., and Shinozuka, M. Electromagnetic Image Reconstruction for Damage Detection, Accepted for Publication in Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 2000. 3. Feng, M. Q, FD. Flaviis, Kim. Y. J., Diaz. R., Application of Electromagnetic Waves in Damage Detection of Concrete Structures, SPIE, 2000. 4. FD. Flaviis, M. Noro, R. E. Diaz., and N. G. Alexopoulos, Diaz Fitzgerald Time Domain (D-FTD) Technique Applied to Electromagnetic Problem, IEEE MTT-S Int. Microwave Symp., S. Francisco, June, 1996 5. FD. Flaviis, M. Noro, R. E. Diaz., and N. G. Alexopoulos, Diaz Fitzgerald Time Domain (D-FTD) Technique Applied to Electric and Debye Materials, Applied Computational Electromagnetics, ACES Symposium, Monterey (CA), March 1721,1997 6. FD. Flaviis, M. Noro, R. E. Diaz., and N. G. Alexopoulos, Time Domain Vector Potential Formulation for The Solution of Electromagnetic Problem , IEEE AP-S Int. Symp., Montreal, Canada, July, 1997. 7. FD. Flaviis, M. Noro, R. E. Diaz., and N. G. Alexopoulos, Time Domain Vector Potential Formulation for The Solution of Electromagnetic Problem , NATO-ANSI Conference, Samos, Greece, August 5, 1997 8. FD. Flaviis, M. Noro, N. G. Alexopoulos, R. E. Diaz., and G. Francheschetti, Extensions to complex Materials of the Diaz Fitzgerald model for the Solution of Electromagnetic Problems, Electromagnetics, vol.18, pp 35~65, 1998 9. FD. Flaviis, M. Noro, R. E. Diaz, and N. G. Alexopoulos, A vector Potential Formulation for the solution of Electromagnetic Problem , IEEE Microwave Letters, pp 310~312, 1998

Tugas Pembuatan Makalah Mata Kuliah Elektrodinamika FI 5001, FI 6001, FI 8001 Aplikasi Gelombang Elektromagnetik Dalam Pendeteksian Struktur Kolom Concrete Yang Rusak

Oleh : Yudha Arman ( 202 07 010)

Institut Teknologi Bandung 2008