KAJIAN PERILAKU JEMBATAN GELAGAR BETON PRATEKAN TIPE KANAL TEGAK TERHADAP PEMBEBANAN STATIS Gilang Bhisma Pratama 1,* dan Heru Purnomo 1 1 Departemen Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok, 16424, Indonesia Email: [email protected]ABSTRAK Jembatan beton pratekan tipe kanal tegak adalah salah satu konsep inovasi jembatan yang berkembang dalam 10 tahun terakhir ini. Bentuk gelagar yang menyerupai huruf U dan diperkuat dengan tendon prategang menjadikan jembatan ini sebagai salah satu alternatif desain untuk jembatan kereta api dan jalan raya. Untuk menerapkannya di Indonesia perlu adanya kajian perilaku jembatan tersebut. Dalam kajian ini dilakukan peninjauan respon jembatan terhadap pembebanan statis yang meliputi lendutan, gaya normal, momen lentur dan tegangan. Model jembatan sesuai dengan jembatan kereta api eksisting yaitu Jembatan Villupuram di daerah Tamil Nadu, India. Hasil kajian ini dibandingkan dengan pemodelan oleh Vurugonda Raju maupun hasil percobaan lapangan oleh Devdas Menon dari Indian Institute of Technology Madras di Chennai-India serta membandingkannya dengan peraturan yang ada di Indonesia. Dengan bantuan perangkat lunak komputer berbasis Metode Elemen Hingga, dikaji respon jembatan dengan menggunakan simulasi parametrik berupa variasi mutu beton, umur jembatan dan kelembapan relatif lingkungan. Pada titik tinjau di tengah bentang, lendutan akan semakin berkurang diikuti dengan tegangan serat atas beton yang semakin bertambah dan tegangan serat bawah beton yang semakin berkurang apabila mutu beton yang digunakan dan kelembapan relatif lingkungan semakin tinggi. Di sisi lain semakin bertambah umur jembatan, lendutan akan semakin bertambah diikuti dengan berkurangnya tegangan serat atas beton dan bertambahnya tegangan serat bawah beton. Kata kunci : Beban statis; gelagar U; jembatan beton; percobaan lapangan; prategang ABSTRACT U-girder prestressed concrete bridge is a new concept of bridge innovation developed in the last 10 years. U- shaped girder strengthened with prestressed tendons makes this type of bridge as one of the alternatives in railway and highway bridges design. In order to apply it in Indonesia, more study of the bridge behaviours are needed. In this study, the bridge responses due to static loading such as deflection, normal force, bending moment and stress are studied. The bridge model is based on the real model of Villupuram Bridge in Tamil Nadu,India. The results are then compared with those obtained from the model of Vurugonda Raju and the field experiment result from Devdas Menon, both are from Indian Institute of Technology Madras in Chennai-India; and later with the Indonesian codes. Using a software which is based on Finite Element Method, the bridge responses upon parametric simulations such as variation of concrete quality, concrete age and relative humidity are studied. At bridge middle span, if the grade of concrete and relative humidity of environment are high, deflection is smaller followed with increasing upper fiber stress and decreasing lower fiber stress. On the other side, as the age of structure increases, the deflection is higher followed with decreasing upper fiber stress and increasing lower fiber stress. Key words : Static loading; U-girder; concrete bridge; field experiment; post-tensioned Kajian perilaku…, Gilang Bhisma Pratama, FT UI, 2013
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
KAJIAN PERILAKU JEMBATAN GELAGAR BETON PRATEKAN TIPE KANAL TEGAK TERHADAP PEMBEBANAN STATIS
Gilang Bhisma Pratama1,* dan Heru Purnomo1
1Departemen Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok, 16424, Indonesia
ABSTRAK Jembatan beton pratekan tipe kanal tegak adalah salah satu konsep inovasi jembatan yang berkembang dalam 10 tahun terakhir ini. Bentuk gelagar yang menyerupai huruf U dan diperkuat dengan tendon prategang menjadikan jembatan ini sebagai salah satu alternatif desain untuk jembatan kereta api dan jalan raya. Untuk menerapkannya di Indonesia perlu adanya kajian perilaku jembatan tersebut. Dalam kajian ini dilakukan peninjauan respon jembatan terhadap pembebanan statis yang meliputi lendutan, gaya normal, momen lentur dan tegangan. Model jembatan sesuai dengan jembatan kereta api eksisting yaitu Jembatan Villupuram di daerah Tamil Nadu, India. Hasil kajian ini dibandingkan dengan pemodelan oleh Vurugonda Raju maupun hasil percobaan lapangan oleh Devdas Menon dari Indian Institute of Technology Madras di Chennai-India serta membandingkannya dengan peraturan yang ada di Indonesia. Dengan bantuan perangkat lunak komputer berbasis Metode Elemen Hingga, dikaji respon jembatan dengan menggunakan simulasi parametrik berupa variasi mutu beton, umur jembatan dan kelembapan relatif lingkungan. Pada titik tinjau di tengah bentang, lendutan akan semakin berkurang diikuti dengan tegangan serat atas beton yang semakin bertambah dan tegangan serat bawah beton yang semakin berkurang apabila mutu beton yang digunakan dan kelembapan relatif lingkungan semakin tinggi. Di sisi lain semakin bertambah umur jembatan, lendutan akan semakin bertambah diikuti dengan berkurangnya tegangan serat atas beton dan bertambahnya tegangan serat bawah beton. Kata kunci : Beban statis; gelagar U; jembatan beton; percobaan lapangan; prategang
ABSTRACT
U-girder prestressed concrete bridge is a new concept of bridge innovation developed in the last 10 years. U-shaped girder strengthened with prestressed tendons makes this type of bridge as one of the alternatives in railway and highway bridges design. In order to apply it in Indonesia, more study of the bridge behaviours are needed. In this study, the bridge responses due to static loading such as deflection, normal force, bending moment and stress are studied. The bridge model is based on the real model of Villupuram Bridge in Tamil Nadu,India. The results are then compared with those obtained from the model of Vurugonda Raju and the field experiment result from Devdas Menon, both are from Indian Institute of Technology Madras in Chennai-India; and later with the Indonesian codes. Using a software which is based on Finite Element Method, the bridge responses upon parametric simulations such as variation of concrete quality, concrete age and relative humidity are studied. At bridge middle span, if the grade of concrete and relative humidity of environment are high, deflection is smaller followed with increasing upper fiber stress and decreasing lower fiber stress. On the other side, as the age of structure increases, the deflection is higher followed with decreasing upper fiber stress and increasing lower fiber stress. Key words : Static loading; U-girder; concrete bridge; field experiment; post-tensioned
Kajian perilaku…, Gilang Bhisma Pratama, FT UI, 2013
PENDAHULUAN
Jembatan adalah salah satu bentuk konstruksi tertua yang pernah ada di dunia dan
dibangun untuk memenuhi kebutuhan manusia melakukan perpindahan dari satu tempat
menuju tempat lain baik di darat maupun antar daratan yang melalui rintangan alam berupa
jurang, laut dan sebagainya. Jembatan melalui tahapan evolusi dari bentuk sederhana yaitu
balok kayu yang tumbang sebagai alat untuk menyeberang sungai, hingga jembatan rangka
dari baja maupun jembatan gantung di era dewasa ini. Seiring dengan perkembangan jaman,
peran jembatan juga berevolusi. Tidak hanya menjadi sarana penghubung antar wilayah saja,
namun juga memegang peran penting dalam sistem transportasi di dalam suatu wilayah.
Jembatan adalah elemen kunci dalam sistem transportasi untuk tiga alasan: dapat
mengendalikan kapasitas sistem transportasi, memiliki biaya tinggi per mil dari sistem, dan
jika jembatan runtuh, sistem transportasi akan runtuh [5].
Jembatan memiliki dua bagian utama, yaitu bagian dek jembatan dengan beraneka jenis
gelagar dan bagian pier atau penyangga dek jembatan. Para ahli jembatan umunya merancang
jenis gelagar jembatan yang sesuai baik dari segi kekokohan maupun segi kesesuaian dengan
fungsi yang diharapkan. Ada banyak jenis gelagar untuk sistem transportasi, salah satunya
adalah gelagar tipe kanal atau U-shaped.
Jembatan tipe gelagar kanal adalah jembatan dengan jenis gelagar box atau kotak yang
salah satu dari bagian sayapnya dihilangkan [1]. Jembatan ini merupakan salah satu konsep
inovasi jembatan dalam sistem transportasi. Profilnya menyerupai huruf U dengan dek nya
sebagai jalan raya atau rel kereta sedangkan kedua sayap kiri dan kanannya sebagai jalur
pejalan kaki . Jembatan ini telah digunakan di beberapa negara yaitu India, Australia dan
Perancis. Untuk menerapkannya di Indonesia, diperlukan kajian yang lebih mendalam
terhadap perilaku struktur jembatan berupa: lendutan, gaya normal dan momen lentur ditinjau
dari pendekatan 3D Finite Element Method dengan melakukan perbandingan antara hasil
pemodelan wizard dengan pemodelan Raju dan percobaan lapangan Menon serta pengaruh
lendutan dan tegangan yang terjadi terhadap berbagai simulasi parameterik yang digunakan.
Kajian perilaku…, Gilang Bhisma Pratama, FT UI, 2013
TINJAUAN TEORITIS Dek Jembatan Tipe Gelagar Kanal (U-Shaped)
Jembatan dengan dek tipe kanal atau U adalah jembatan dengan profil box girder yang
salah satu dari bagian sayap atasnya dihilangkan [1]. Kekakuan longitudinal dan kekuatannya
bersumber dari sayap kiri dan kanan sedangkan slab dek diantara kedua sayap kiri dan kanan
nya bersifat sebagai slab satu arah (one-way slab).
Gambar 1. Perubahan Gelagar Box Girder Menjadi Gelagar Kanal/ U
Sumber : Devdas Menon dan Vurugonda Raju (2010) [12] Tegangan Lentur Prategang
Selama balok tidak mengalami keretakan dan baja serta beton tertekan pada daerah
elastisnya, maka tegangan pada beton dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan
mekanika biasa pada perilaku linear elastis [15]. Tegangan yang terjadi pada serat atas dan
bawah beton akibat pengaruh gaya prategang efektif, berat sendiri, beban mati dan beban
hidup pada daya layan dapat dirumuskan sebagai:
!1 = −!"!" 1−
! !1!! −
!"!1
!2 = −!"!" 1+
! !2!! +
!"!2
Dimana Pe adalah gaya prategang efektif; Ac adalah luas penampang beton, e adalah
eksentristas tendon prategang; c adalah jarak dari pusat massa penampang beton ke ujung
penampang beton; r adalah jari-jari girasi dan Mt adalah momen total akibat berat sendiri,
beban mati dan beban hidup. Secara lebih jelasnya dapat diilustrasikan pada diagram
tegangan berikut:
Kajian perilaku…, Gilang Bhisma Pratama, FT UI, 2013
Gambar 2. Tegangan Lentur Akibat Gaya Prategang Efektif dan Beban Layan Sumber : Nilson (1987) [15]
Defleksi Pada Balok Sederhana dengan Tendon Prategang Parabolik
Gambar 3. Defleksi pada Balok (a) Profil Tendon, (b) Berat Elastis M/Ec Ic, (c) Defleksi
Sumber : Nawy (2009) [14]
Berdasarkan gambar 3. (b), besar R’e:
!!! =12
!" ! !!" !" !
23 =
!" ! !3 !" !"
Momen elastis yang terjadi akibat berat We pada tengah bentang (C) adalah:
!" = !" = !!!12 −
!" ! !!" !" !
2638 !
!2
!" = !!" !"
!" ! !!
!− ! !" ! !!
!"= ! !" ! !!
!" !! !"
Kehilangan Tegangan Prategang
§ Friksi [11]: !" = !1 (1 − !!!"!!")
dimana: f1 adalah tegangan tendon pada titik 1, µ adalah koefisien curvature, K adalah
koefisien wooble (per foot/per meter tendon), L adalah panjang tendon keseluruhan dan x
adalah panjang tendon antara titik 1 dan 2.
§ Pengangkuran (Anchorage) [14]: !!" = ∆!! !"
Kajian perilaku…, Gilang Bhisma Pratama, FT UI, 2013
dimana: ∆a adalah slip pada angkur yang direncanakan (umumnya 6 milimeter), L
adalah panjang tendon dan Es adalah modulus elastisitas tendon.
§ Rangkak (Creep) [2]: !" = !" !"!"
!"#$ − !"#$
dimana: Ct adalah Time-dependent creep coefficien2, fcir adalah tegangan pada beton
pada titik beratnya karena gaya prategang yang telah mempertimbangkan pengaruh slip, fcds
adalah tegangan pada beton pada titik beratnya karena semua beban mati yang bekerja pada
balok setelah diberi pengaruh prategang, Es adalah modulus elastisitas tendon prategang dan
Ec adalah modulus elastisitas beton pada umur 28 hari.
§ Susut (Shrinkage) [2]: !" = !"ℎ.!"
dimana: εsh adalah Time-dependent shrinkage coefficient dan Es adalah modulus
dimana: FR adalah loss akibat friksi, ANC adalah loss akibat pengangkuran, Es adalah
loss akibat elastic shortening, CR adalah loss akibat creep, SH adalah loss akibat shrinkage
dan RE adalah loss akibat relaksasi baja.
§ Tegangan Prategang Efektif [11]: !" = !" − !"##
dimana: fi adalah tegangan prategang inisial dan Loss adalah total kehilangan tegangan
prategang.
METODE PENELITIAN
Kajian perilaku…, Gilang Bhisma Pratama, FT UI, 2013
Struktur Jembatan Gelagar Tipe Kanal
Jembatan gelagar tipe kanal yang digunakan dimodelisasi dari struktur jembatan
Villupuram yang sebenarnya di Tamil Nadu, India. Jembatan ini merupakan jembatan kereta
api 1 lajur dengan menggunakan material beton dan tendon prategang. Dalam kajiannya,
diambil satu bagian bentang jembatan saja dengan panjang bentang 20.26 meter. Penampang
yang digunakan menyerupai huruf U dengan dimensi sebagai berikut:
Gambar 4. Detail Dimensi Penampang U
Sumber : Devdas Menon dan Vurugonda Raju (2013) [13]
Trase tendon yang digunakan adalah parabolik dengan pengaturan sebagai berikut:
Kajian perilaku…, Gilang Bhisma Pratama, FT UI, 2013
Gambar 5. Detail Trase Tendon Pada Berbagai Lokasi Tinjau di Jembatan Sumber : Devdas Menon dan Vurugonda Raju (2013) [13]
Spesifikasi Material
Material utama yang digunakan adalah beton dan tendon prategang seperti dijelaskan
pada tabel 1:
Tabel 1. Spesifikasi Material
Beton Tendon Prategang
Nomor 8 Selain Nomor 8 Mutu/Jenis M45 Low Relaxation Strand Kelas II Modulus Elastisitas (kN/m2) 33500000 191100000 Poisson's Ratio 0.2 - - Berat Jenis (kN/m3) 24 - - Luas Penampang (m2) 4.89 0.000592 0.001184 Gaya Tarik (kN) - 676.2 1617
Sumber : Devdas Menon dan Vurugonda Raju (2013) [13] Pembebanan § Beban Mati (D) : adalah berat dari struktur jembatan itu sendiri.
§ Beban Mati Tambahan (SI) : adalah beban mati yang ditambahkan, yaitu ballast [3] setebal
400 mm dan bantalan [18] dengan berat total 8.47 kN/m2.
§ Beban Prategang (P) : adalah beban dari kontribusi tendon-tendon prategang
§ Beban Hidup (L) : adalah beban pengujian lapangan (berdasarkan Indian Railway
Standard pasal 18.2.3) berupa karung-karung berisi pasir dengan berat keseluruhan 4808
kN (50.278 kN/m2). Kombinasi Pembebanan
Kombinasi pembebanan yang digunakan pada tahap perbandingan hasil (lendutan,
gaya normal dan momen lentur) dengan pemodelan Raju dan hasil percobaan lapangan
Menon hanya beban hidup (L) saja sedangkan kombinasi yang digunakan pada saat simulasi
parametrik adalah kombinasi pada daya layan (1 D + 1 SI + 1 P + 1 L) [3]. Pemodelan dan Metode yang Digunakan
Kajian perilaku…, Gilang Bhisma Pratama, FT UI, 2013
Untuk melakukan kajian perilaku jembatan, dilakukan percobaan lapangan oleh
Menon berupa pemberian beban karung-karung pasir yang mengacu pada Indian Railway
Standard pasal 18.2.3.
Gambar 6. Percobaan Lapangan dengan Pembebanan Karung-Karung Pasir
Sumber : Devdas Menon dan Vurugonda Raju (2010) [12]
Dari percobaan ini diperoleh data lendutan khususnya pada tengah bentang. Untuk
memperoleh data berupa gaya normal dan momen lentur dan membandingkannya dengan
pemodelan Raju, perlu dilakukan pemodelan dengan alat bantu perangkat lunak komputer
berbasis Metode Elemen Hingga salah satunya SAP2000. Pemodelan yang digunakan
mengacu pada pemodelan Raju yaitu memodelkan struktur jembatan sebagai elemen
cangkang (shell) kuadrilateral bernodal empat dengan tendon prategang dimodelkan sebagai
beban, mengikuti fitur yang terdapat pada bridge wizard serta perletakan yang dimodelkan
sebagai pegas elastomer. Setelah hasil pemodelan mendekati hasil pemodelan Raju, dilakukan
simulasi parametrik untuk menganalisis lendutan dan tegangan yang dihasilkan seiring
dengan berbagai variasi yang digunakan.
Gambar 7. Model Cangkang Kuadrilateral Bernodal Empat dari Jembatan Gelagar Kanal
Sumber : Olahan Sendiri (2013) Simulasi Parametrik
Kajian perilaku…, Gilang Bhisma Pratama, FT UI, 2013
Dilakukan peninjauan lendutan dan tegangan di tengah bentang untuk berbagai
2. Badan Standarisasi Nasional. (2004). Perencanaan Struktur Beton untuk Jembatan. RSNI-T-12-2004.
3. Badan Standarisasi Nasional. (2005). Standar Pembebanan untuk Jembatan. RSNI-T-
02-2005.
4. Bamforth, Chisholm, Gibbs, and Harrison. (2007). Properties of Concrete for Use in Eurocode 2. The Concrete Centre.
5. Barker, Richard M. and Jay A. Puckett. (2007). Design of Highway Bridges. New Jersey:
John Wiley & Sons
Kajian perilaku…, Gilang Bhisma Pratama, FT UI, 2013
6. Bridgestone Corporation. (2010). High Damping Rubber Bearing (HDR) for Bridges. Accesed on April 17, 2013 from http://www.bridgestone.com/products/diversified/antiseismic_rubber/pdf/H-RB2010_11.pdf
7. CSI. (2007). CSI Analysis Reference Manual for SAP2000, ETABS, and SAFE.
California: Computer and Structures, Inc. 1995 University Avenue.
8. Government of India. (2003). Indian Railway Standards Code of Practice for Plain, Reinforced and Prestressed Concrete for General Bridge Construction. Indian Railway Standards.
9. Government of India. (2008). Rules Specifying the Loads for Design of Super-Structure and Sub-Structure of Bridges and For Assessment of the Strength of Existing Bridges. Indian Railway Standards.
10. Katili, Irwan. (2008). Metode Elemen Hingga untuk Analisis Tegangan. Depok: UI
11. Lin, T.Y. (1981). Design of Prestressed Concrete Structures. USA: John Wiley & Sons.
12. Menon, Devdas and V Raju. (2010). Analysis of Behaviour of U-Girder Bridge Decks. Proc of Int Conf on Advances in Civil Engineering. pp 28-32.
13. Menon, Devdas and V Raju. (2013). Personal Communication via Email.
14. Nawy, E.G. (2009). Prestressed Concrete A Fundamental Approach Fifth Edition. USA: Prentice Hall.
15. Nilson, Arthur H. (1987). Design of Prestressed Concrete. USA: John Wiley & Sons.
16. Parker, Sybil P. (2004). McGraw-Hill Concise Encyclopedia of Science and Technology Fifth Edition. New York: McGraw-Hill Book Co.
18. WIKA Beton. Railway Concrete Products. Accesed on April 17, 2013 from http://www.wikabeton.co.id/index.php/component/option,com_phocadownload/download,7/id,1/view,category/
Kajian perilaku…, Gilang Bhisma Pratama, FT UI, 2013