STUDI KERUNTUHAN JEMBATAN GANTUNG X DENGAN MEMPERTIMBANGKAN FAKTOR GAYA DINAMIK DAN EFEK KEKAKUAN RANGKA

Transkripsi

1 STUDI KERUNTUHAN JEMBATAN GANTUNG X DENGAN MEMPERTIMBANGKAN FAKTOR GAYA DINAMIK DAN EFEK KEKAKUAN RANGKA Sastradinata, Yuskar Lase, dan Heru Purnomo TekNik Sipil, Fakultas TekNik, Universitas Indonesia, Kampus UI Depok 16424, Indonesia sastradinatapilan@yahoo.com ABSTRAK Jembatan merupakan infrastruktur dari jaringan jalan dan bagian dari alat peningkatan aktivitas perekonomian baik dari skala daerah maupun nasional. Perawatan jembatan sangat diperlukan, untuk merawat jembatan diperlukan kemampuan manusia dalam penguasaan ilmu pengetahuan yang mendukungnya dan penguasaan teknologi. Tujuan penulisan karya ilmiah ini menganalisa kemungkinan penyebab keruntuhan jembatan gantung yaitu pertama pengaruh variasi gaya dinamik dengan tiga parameter tetap yaitu beban lalu lintas satu sisi (asimetris), lokasi penarikan kabel satu sisi (asimetris), dan efek kekakuan rangka 100%. Kedua menganalisa pengaruh variasi efek kekakuan rangka dengan tiga parameter tetap yaitu beban dinamik, lokasi penarikan kabel satu sisi (asimetris), dan beban lalu lintas satu sisi (asimetris). Metode analisa dilakukan dengan memasukkan data material, properti penampang, geometri jembatan, modelisasi struktur dalam bentuk tiga dimensi, kemudian melakukan variasi gaya dinamik dan variasi kekakuan rangka menggunakan program komputer berbasis elemen hingga. Kesimpulan dari hasil analisa adalah pada durasi dua detik gaya dinamik yang diberikan berpengaruh besar terhadap gaya-gaya dalam hold clamp. Variasi nilai kekakuan rangka yang diberikan berbanding lurus dengan bertambah besarnya gaya-gaya yang dipikul oleh struktur rangka jembatan. Degradasi material dan elemen pendukung di sekitar hold clamp tidak ikut diperhitungkan dalam studi ini. Kata kunci : Faktor gaya dinamik, kekakuan rangka, dan jembatan gantung. PENDAHULUAN Dengan meningkatnya kebutuhan pembangunan infrastruktur jembatan seiring dengan meningkatnya kebutuhan dan perkembangan perekonomian bangsa, seorang profesional di bidang desain dan pembangunan jembatan baik jembatan bentang pendek, menengah, maupun bentang panjang harus menguasai ilmu yang mendukungnya dan penguasaan teknologi. Khususnya jembatan bentang panjang, wilayah negara Indonesia yang terpisah oleh keadaan geografis dalam bentuk pulau-pulau untuk meratakan pembangunan di seluruh Indonesia teknologi jembatan bentang panjang sangat dibutuhkan. Oleh karena tantangan dimasa mendatang cukup berat, penguasaan teknologi jembatan baik dari aspek peralatan, material maupun perencanaannya mutlak dibutuhkan.

2 Perawatan jembatan juga sangat diperlukan, karena bangunan jembatan dibangun di alam terbuka, maka bangunan tersebut harus menyesuaikan diri dengan perilaku alam. Sudah banyak konstruksi jembatan mengalami kegagalan dan keruntuhan akibat perilaku alam, misalnya keruntuhan akibat gempa bumi, tsunami, badai angin, banjir, proses korosi pada struktur baja, dan lain-lain. Dengan bantuan kemajuan teknologi memungkinkan manusia untuk bisa mengatasi perilaku alam tersebut. Namun, itu juga sebatas perilaku alam yang mampu dikuasai oleh manusia berdasarkan kemampuan untuk menterjemahkan perilaku alam itu sendiri. Seperti telah dijelaskan dimuka, kemampuan manusia sangat ditentukan oleh penguasaan teknologi pada zamannya dan catatan sejarah perilaku alam dari masa ke masa. Namun, banyak data perilaku alam yang diperlukan oleh manusia untuk mengenal masa sejarah, ketika manusia mencatat sesuatu yang terjadi. Pada masa prasejarah manusia menterjemahkan perilaku alam hanya berdasarkan penjelasan mitos atau legenda. Akibat dari tindakan manusia untuk menaklukkan perilaku alam, sering menimbulkan kerusakan yang diakibatkan oleh perilaku alam yang tidak diduga atau tidak diperhitungkan sebelumnya. Besar atau kecilnya kerusakan bangunan tergantung pada kemampuan manusia untuk menterjemahkan kemampuan alam yang merusak. Semakin tinggi kemampuan manusia atau semakin tinggi teknologi yang dikuasai manusia, akan semakin kecil resiko kerusakan terhadap bangunan hasil ciptaannya. Pada studi ini penulis mencoba melakukan analisa terhadap keruntuhan Jembatan Gantung X dilakukan dengan menganalisa terhadap Variasi Gaya Dinamik dan Variasi Efek Kekakuan Rangka. Terhadap variasi gaya dinamik mempunyai tiga parameter tetap diantaranya, beban lalu lintas satu sisi (asimetris), lokasi penarikan kabel satu sisi (asimetris), dan efek kekakuan rangka 100%. Dan variasi dari efek kekakuan rangka, dengan parameter tetapnya yaitu beban dimanik, lokasi penarikan kabel satu sisi (asimetris), dan beban lalu lintas satu sisi (asimetris). Dari dua faktor ini akan diambil kesimpulan faktor mana yang sangat dominan mempengaruhi keruntuhan jembatan tersebut. TUJUAN ANALISA Tujuan dari analisa jembatan gantung X ini adalah secara garis besar untuk mengetahui apakah penyebab kemungkinan keruntuhan jembatan gantung diakibatkan variasi gaya dinamik dan variasi efek kekakuan rangka. Namun, lebih jelas tujuan dari analisa ini diantaranya sebagai berikut :

3 1. Menganalisa dan mempelajari pengaruh variasi gaya dinamik dengan tiga parameter tetap yaitu beban lalu lintas satu sisi (asimetris), lokasi penarikan kabel satu sisi (asimetris), dan efek kekakuan rangka 100% terhadap struktur jembatan gantung. 2. Menganalisa dan mempelajari pengaruh variasi efek kekakuan rangka dengan tiga parameter tetap yaitu beban dinamik, lokasi penarikan kabel satu sisi (asimetris), dan beban lalu lintas satu sisi (asimetris) terhadap struktur jembatan gantung. BATASAN MASALAH Batasan masalah pada analisa jembatan gantung X ini adalah sebagai berikut: 1. Analisa yang dilakukan hanya sebatas pada bagian struktur atas pada jembatan yaitu pada kabel utama, kabel penggantung, hold clamp dan struktur rangka jembatan. 2. Variasi kekakuan rangka jembatan dilakukan dengan memvariasikan nilai dari modulus elastisitas rangka jembatan agar struktur rangka menjadi kuat dan lendutan yang terjadi dapat berkurang. Dan dengan memvariasikan modulus elastisitas rangka jembatan diharapkan terjadi keseragaman perubahan gaya dalam pada elemen rangka. 3. Pembebanan yang digunakan mengacu pada RSNI T Tidak memperhitungkan degradasi material baik akibat suhu dan umur jembatan. 5. Analisa dinamik tidak memperhitungkan faktor redaman. 6. Output yang dianalisa pada jembatan gantung X ini hanya berupa partisipasi massa, gaya gaya dalam, dan lendutan. SISTEM STRUKTUR JEMBATAN GANTUNG Sistem struktur atau bagian-bagian dari jembatan meliputi komponen struktur atas, komponen struktur bawah, dan bangunan pelengkap jembatan. Komponen utama bangunan atas jembatan (upper structure) meliputi ; lantai jembatan (deck), rangka utama jembatan, gelagar memanjang (stringer), gelagar melintang (cross girder), ikatan angin atau pengaku (bracing), kabel gantung (suspension cables), kabel utama (main cable), pilon atau menara utama, tumpuan jembatan (elastomeric bearing), seismic buffer side walk /trotoar, hand rail (rel pegangan/ pengaman), sambungan (joint), dan plat injak.

4 Komponen utama bangunan bawah jembatan (substructure) meliputi ; abutment atau pangkal jembatan, Pondasi jembatan, Blok angkur. Bangunan pelengkap jembatan meliputi ; tembok samping dan tembok muka. Dinding penahan tanah (retaining wall), pelindung lereng (slope protection). Pelindung erosi dan gerusan (scouring) berupa drainase jembatan. DATA TEKNIS JEMBATAN Jembatan gantung X memiliki total bentang 470 m dengan bentang tengah 270 m dan betang dua sisi yang sama 100 m yang dapat dilihat pada Gambar 1 di bawah ini. Jembatan ini termasuk jembatan gantung dengan plat lantai komposit dengan didukung rangka baja dan memiliki dua menara pylon dengan ketinggian 53 m. Spesifikasi Teknik Panjang total jembatan : 470 m Main span : 270 m Side span : 100 m Approach span : 120 m Navigation clearance : 15 m Tinggi portal tower : 53 m Lebar jalur lalu lintas : 7 m Lebar trotoar : 1 m Lebar total jembatan : 9 m Vehicle clearance : 5 m Gambar 1. Tampak samping dan tampak atas dari struktur jembatan gantung X

5 PEMBAHASAN Analisa Struktur Struktur akan dianalisis dalam dua kondisi yaitu kondisi statik dan kondisi dinamik. Kondisi ini menghantarkan bentuk permodelannya menjadi dua yaitu kondisi kabel gantung penuh (full hanger) untuk kondisi statik dan kondisi satu hanger putus dibebani gaya dinamik untuk kondisi dinamik. a. Analisa Statik Analisa statik terhadap struktur jembatan dilakukan dengan memodelkan struktur jembatan dalam kondisi struktur jembatan secara keseluruhan berada dalam kondisi sempurna, atau jembatan berada dalam kondisi awal sebelum terjadinya keruntuhan strukturnya. Pada tahapan ini struktur tidak didesain dengan metode LRFD (Load Resistance and Factor Design), karena penulis tidak merencanakan struktur jembatan, namun melakukan analisa keruntuhan, sehingga digunakan faktor beban bernilai satu dalam kombinasi pembebanan. Gaya-gaya yang bekerja pada struktur jembatan yaitu Beban Mati (DL), Beban Hidup (LL) dalam kondisi satu sisi, dan Beban Mati Tambahan (SDL). Kombinasi pembebanan maksimum yang diambil adalah pada kondisi statik DL + SDL + LL (lalu lintas satu sisi). Dengan hasil ini akan diperoleh gaya-gaya dalam maksimum dari komponen struktur jembatan. b. Analisa Dinamik Analisa dinamik struktur jembatan dilakukan dengan memodelkan struktur jembatan tidak dalam kondisi sempurna yaitu dengan memutus satu hanger di tengah jembatan. Gaya dinamik yang bekerja pada jembatan ini adalah beban P-dinamik. Dalam kaitan ini beban P-dinamik dimodelkan dengan program komputer berbasis elemen hingga dalam bentuk riwayat waktu (time history) sebagai beban impuls. Nila fungsi beban P-dinamik ini sama dengan gaya dalam aksial dari hanger sebelum terputus yang merupakan hasil kombinasi pembebanan DL + SDL + LL satu sisi. Beban dinamik diberikan secara bervariasi pada joint hanger yang mengalami hanger putus. Kombinasi pembebanan maksimum untuk analisa dinamik adalah kombinasi DL + SDL + LL (satu sisi) + P-dinamik.

6 Objek Tinjauan Untuk menentukan objek ditinjauan pada struktur jembatan yaitu dengan menganalisa gaya dalam dari komponen-komponen struktur jembatan. Komponen-komponen struktur ini terdiri dari : - Hold clamp - Rangka batang Gambar 2 menunjukkan lokasi dari komponen-komponen struktur jembatan yang akan ditinjau yaitu berada ditengah dan daerah tumpuan jembatan. b a Gambar 2. Objek tinjaun struktur jembatan gantung X Hold clamp 4732 Hold clamp 4731 Hold clamp Hold clamp Hanger 9 (diputus) (a) Gambar 3. (a) Rangka batang diagonal ; (b) hold clamp dan hanger yang diputus (b)

7 Pada gambar 3 dapat dilihat ada empat batang rangka yang berada pada daerah tumpuan dan empat hold clamp berada ditengah jembatan yang memiliki gaya dalam terbesar. Hanger 9 diputus untuk mensimulasikan pengaruh gaya dinamik secara keseluruhan terhadap struktur jembatan. PENGOLAHAN DAN ANALISIS DATA Pengolahan data yang akan dilakukan hanya terbatas pada komponen-komponen struktur jembatan yang akan mengalami kegagalan terlebih dahulu saat hanger 9 diputus. Gaya-gaya dalam yang dominan menyebabkan keruntuhan struktur jembatan pada objek tinjauan tersebut di atas yaitu gaya dalam aksial yang akan dianalisa pada komponen struktur rangka dan hold clamp. Dari hasil pemodelan program struktur elemen hingga diperoleh nilai periode getar alami (Tn) untuk masing-masing variasi untuk arah vertikal (UZ) dan arah horizontal (RX) pada kondisi maksimum. Tabel 1. Rasio RX dan UZ maksimum Item Mode Rx (%) UZ (%) Periode (detik) Displacement vertikal (UZ) Torsi (RX) Dari tabel diatas, untuk mendapatkan rasio frekuensi ragam pertama (α) torsi terhadap lentur menggunakan rumus sebagai berikut : Sehingga, T10 3,15 = = 5.89 > 2.5 T 0, T2 10,608 = = 6.84 > 2.5 T 1,55 18 ωuz TRx α = = > 2.5 (1) ω T RX UZ Dan dapat diperoleh juga rasio frekuensi dari masing-masing periode adalah sebagai berikut : Td 0.5 (2) Tn 0.5 = Td = 0.5 detik 1.55

8 = Td = 1.0 detik = Td = 1.5 detik = Td = 2.0 detik Tn = 1,55 detik merupakan nilai periode getar alami jembatan maksimum saat jembatan mengalami displacement vertikal. Berdasarkan hasil analisa diperoleh semakin besar waktu getar (Td) yang diberikan pada struktur jembatan, gaya dalam yang terjadi pada rangka dan hold clamp cenderung stabil. Ini dapat terlihat pada grafik-grafik pengolahan data variasi gaya dinamik. (a) (b) Gambar 4. Struktur 3 dimensi jembatan gantung X ; (a) Mode 18 bentuk displacement vertikal jembatan ; (b) Mode 2 bentuk rotasi longitudinal pada jembatan.

9 Gambar 4a diatas menunjukkan bentuk displacement vertikal (UZ) struktur jembatan akibat beban kombinasi DL+SDL+LL dan Gambar 4b bentuk struktur jembatan bila mengalami torsi (RX). Variasi Gaya Dinamik Dari hasil pengolahan data program struktur elemen hingga P-dinamik diperoleh sebesar 694,77 KN sebagai variabel tetap. Nilai ini sama dengan gaya dalam hanger 9. Sedangkan nilai Td diperoleh dari hasil coba-coba, namun lebih mudahnya bisa diperoleh dari tabel 1. Dari sana akan diperoleh periode getar alami (Tn) dari struktur jembatan. Berdasarkan tabel 1 nilai variasi Td yang akan digunakan dalam analisa dinamik berkisar antara 0,5 Td 2,0. Ada empat variasi gaya dinamik yang diberikan pada struktur jembatan adalah sebagai berikut : - Variasi P-dinamik = 694,77 KN dengan Td = 0,5 detik - Variasi P-dinamik = 694,77 KN dengan Td = 1,0 detik - Variasi P-dinamik = 694,77 KN dengan Td = 1,5 detik - Variasi P-dinamik = 694,77 KN dengan Td = 2,0 detik P- dinamik Td Gambar 5. Pola gaya dinamik getar paksa yang diberikan pada joint hanger yang diputus

10 Gambar 5 menunjukkan bentuk fungsi beban dinamik yang dimodelkan dengan program komputer berbasis elemen hingga dalam bentuk riwayat waktu (time history) sebagai beban impuls. Grafik 1. Perbandingan gaya dalam aksial hold clamp Dari Grafik 1 dapat dilihat saat hanger 9 diputus hold clamp 4777 yang memegang hanger 9 hanya memikul beratnya sendiri, sedangkan hold clamp 4778 memikul beban aksial paling besar yaitu sebesar 1.122,049 kn pada durasi 2 detik. Hold clamp 4731 saat hanger 9 diputus mengalami kenaikkan sebesar 0.51%, kenaikkan ini sama dengan hanger 8 karena hold clamp 4731 yang memegang hanger 8. Saat kondisi statik yang mengalami kenaikkan terbesar pada gaya dalam tarik hold clamp 4778 sebesar 43.88%. Pada variasi dinamik kenaikkan yang terjadi pada hold clamp cenderung stabil. Namun, dari kondisi statik menuju variasi gaya dinamik mengalami kenaikkan sebesar % bila diambil nilai yang terbesar hold clamp 4778, karena berdekatan langsung dan berada satu baris dengan hanger 9 yang diputus. Analisa Hold Clamp Terhadap Beban Kritis Hold clamp akan dihitung kemampuannya untuk memikul beban kritis atau beban ultimit maksimum. Untuk memudahkan perhitungan bentuk elemen hold clamp asli dimodelkan menjadi persegi seperti pada Gambar 6. Belokan yang ada diwakili oleh beban momen yaitu sebesar P x e = P x 114 mm.

11 Gambar 6. Pendekatan bentuk elemen hold clamp menjadi persegi Jadi, kemampuan hold clamp yang materialnya dari cast iron (FCD 60), maka rumus untuk beban kritis yang digunakan menurut Dr. B. C. Punmia, dan Kr. Jain dalam bukunya yaitu Mechanics of Material yaitu : P c f c A = l 1+ α r 2 (3) Dimana: P c = Beban Kritis f c = Tegangan Kritis = 567 N/mm 2 A = Luas penampang hold clamp = mm 2 α = Nilai konstanta = 1/1600 = Panjang hold clamp = 750 mm l r = Jari jarigirasi = I A = 3 1/ = 25,5 mm Dengan tegangan kritis f c dan nilai konstanta α diambil dari tabel Rankine constants di bawah ini. Tabel 2. Rankine constants (compressive/crushing strength)

12 Sumber (Punmia, B.C., Ashok, K. J,. and Arun, K. J., Mechanics of Material. Firewall Media, 2002) Maka nilai beban kritis (tekan) dari elemen hold clamp : Tabel 3. Spesifikasi material komponen jembatan Sumber :( Nilai beban kritis tekan di atas, tidak dapat digunakan oleh karena gaya terbesar yang terjadi pada hold clamp adalah gaya tarik dan bukannya gaya tekan sesuai analisis data. Namun, karena material hold clamp adalah FCD (Ferro Cast Ductile), maka diambil asumsi konservatif tegangan ultimit material tersebut sebesar 100% tegangan ultimit cast iron. Untuk mendapatkan nilai gaya tarik kritis dari hold clamp dapat dihitung sebagai berikut : Pc = = N = kn / ,5

13 Sehingga, komponen hold clamp tidak mengalami kegagalan, karena nilai gaya tarik hold clamp kn lebih besar daripada gaya tarik yang terjadi yaitu sebesar 1122,049 kn pada hold clamp 4778 bila diambil nilai gaya dalam aksial terbesar dapat terlihat pada Grafik 1. Grafik 2. Perbandingan gaya dalam aksial rangka batang diagonal tumpuan Dari Grafik 2 Pada batang 335 dan batang 336 gaya dalam aksial yang bekerja bersifat tarik saat kondisi statik maupun dinamik. Batang 343 gaya dalam aksial yang bekerja bersifat tekan saat kondisi statik maupun dinamik. Dan batang 342 gaya dalam aksial yang bekerja mengalami perubahan dari batang tekan pada kondisi statik menuju kondisi dinamik menjadi batang tarik. Pada kondisi statik dan dinamik tidak mengalami perubahan terlalu besar, namun dari kondisi statik hanger penuh ke dinamik mengalami kenaikkan % pada batang 343 bila diambil gaya dalam maksimum pada salah satu batang. Variasi Kekakuan Rangka Setelah analisa variasi dinamik, dilanjutkan dengan analisa variasi kekakuan rangka. Analisa kekakuan rangka menggunakan nilai Td yang menghasilkan gaya dalam maksimum pada struktur jembatan atau objek peninjauan saat analisa variasi dinamik. Nilai Td itu sebesar 2,0 detik yang digunakan untuk semua variasi kekakuan rangka 0.8 E, 1.0 E, 1.2 E, dan 1.4 E.

14 Grafik 3. Perbandingan gaya dalam aksial hold clamp Dari Grafik 3 Hold clamp 4731 saat hanger 9 diputus mengalami kenaikkan sebesar 0.51 %, kenaikkan ini sama dengan hanger 8 karena hold clamp 4731 yang memegang hanger 8. Saat kondisi statik yang mengalami kenaikkan terbesar pada gaya dalam hold clamp 4778 sebesar 43.88%. Pada variasi dinamik kenaikkan yang terjadi pada hold clamp cenderung stabil. Namun, dari kondisi statik menuju variasi kekakuan rangka mengalami kenaikkan sebesar % bila diambil nilai yang terbesar terdapat pada hold clamp 4778, karena berada satu baris dengan hanger 9 yang diputus. Grafik 4. Perbandingan gaya dalam aksial rangka batang diagonal tumpuan

15 Pada Grafik 4 batang 335, 336, 342, dan 343, gaya dalam aksial tidak mengalami perubahan yang besar dari statik hanger penuh ke hanger putus. Batang 336 dan batang 343 gaya dalam aksial tarik, batang 342 dan batang 335 gaya dalam aksial tekan dalam kondisi statik. Namun, dari kondisi statik hanger penuh ke variasi kekakuan rangka gaya dalam aksial mengalami kenaikkan % terdapat pada batang 343 bila diambil gaya dalam maksimum pada salah satu batang. KESIMPULAN Dari hasil analisa gaya-gaya dalam Jembatan Gantung X dengan mempertimbangkan faktor gaya dinamik dan efek kekakuan rangka dapat diambil kesimpulan bahwa : 1. Dari hasil analisa pada durasi dua detik gaya dinamik yang diberikan berpengaruh besar terhadap gaya-gaya dalam hold clamp. 2. Variasi nilai kekakuan rangka yang diberikan berbanding lurus dengan bertambah besarnya gaya-gaya yang dipikul oleh struktur rangka jembatan. 3. Berdasarkan hasil analisa variasi gaya dinamik dan variasi efek kekakuan rangka yang diberikan Jembatan Gantung X tidak mengalami keruntuhan.

16 REFERENSI Journal Article: Moisseiff, L. S., The towers, cables and stiffening trusses of the bridge over the Delaware River between Philadelphia and Camden, J. Franklin Inst.,Oct., Jones, V. and Howells, J., Suspension bridges, ICE Manual of Bridge Engineering, Institution of Civil Engineers, Wangsadinata, W. Jembatan Selat Sunda dan Kelayakannya Sebagai Penghubung Jawa dan Sumatera, 1997 Podolny, W., Jr. and Scalzi, J. B. Construction and Design of Cable- Stayed Bridges, 2d ed., John Wiley & Sons, Inc., New York.) Chen, W.F and Duan, L,. Bridge Engineering Handbook, CRC Press, Boca Raton London, New York Washington, D.C, Abe, K. and Amano, K., Monitoring System of the Akashi Kaikyo Bridge, Honshi Technical Report, 86, 29,1998. Dewobroto, W. (2007a). Aplikasi Rekayasa Konstruksi dengan SAP2000 EDISI BARU, PT. Elex Media Komputindom, Jakarta. Dewobroto, W. (2007b). Prospek dan Kendala pada Pemakaian Material Baja untuk Konstruksi Bangunan di Indonesia, Jakarta, Kamis 7 April Books Punmia, B.C., Ashok, K. J,. and Arun, K. J., Mechanics of Material. Firewall Media, Anonim RSNI T Perencanaa Struktur Beton Untuk Jembatan. Badan Standarisasi Nasional. Anonim RSNI T Pembebanan untuk Jembatan. Badan Standarisasi Nasional Anonim RSNI T Perencanaan Struktur Baja Untuk Jembatan. Badan Standarisasi Nasional