STUDI KELAKUAN DINAMIS STRUKTUR JEMBATAN PENYEBERANGAN ORANG (JPO) BAJA AKIBAT BEBAN MANUSIA YANG BERGERAK

Transkripsi

1 STUDI KELAKUAN DINAMIS STRUKTUR JEMBATAN PENYEBERANGAN ORANG (JPO) BAJA AKIBAT BEBAN MANUSIA YANG BERGERAK Endah Wahyuni 1, Ananta S Sidharta 2 dan Dicky Ardhian P 3 1 Dosen Jurusan Teknik Sipil, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Kampus ITS Sukolilo Surabaya, Telp , Endah@ce.its.ac.id 2 Dosen Jurusan Teknik Sipil FTSP, ITS, Kampus ITS Sukolilo Surabaya, Telp , ananta@ce.its.ac.id 3 Alumni S1 Teknik Sipil, Jurusan Teknik Sipil FTSP, ITS, Kampus ITS Sukolilo Surabaya, Telp , dickyarey@gmail.com ABSTRAK Penelitian ini bertujuan untuk melakukan penelitian tentang pengaruh beban manusia bergerak pada kasus jembatan penyeberangan baja. Dalam merencanakan struktur yang beban manusia sangat mempengaruhi, seperti stadion, lantai untuk olahraga, atau JPO apabila beban manusia bergerak tidak dipertimbangkan beban dinamisnya maka bisa menjadi penyebab kegagalan struktur. Sedangkan JPO di Indonesia yang merencanakan dengan pedoman SNI hanya memperhitungkan beban hidup sebagai beban statis, bukan beban dinamis. Yang dimaksud dengan manusia bergerak adalah manusia pengguna jembatan yang bisa berjalan, berlari, atau meloncat. Studi ini akan dilakukan pemilihan model beban akibat manusia bergerak dari literature yang ada sehingga bisa diterapkan dalam perhitungan analisa struktur jembatan. Pembebanan ini akan dihitung secara dinamis, sehingga akibat orang yang bergerak akan menghasilkan reaksi vertikal dan horisontal dan yang berubah terhadap waktu. Dalam penelitian ini akan dilakukan studi model beban manusia individu. Setelah mendapatkan model beban, maka selanjutnya melakukan pengujian nilai frequensi alami dari jembatan. Setelah itu akan dilakukan pengujian model beban yang diaplikasikan sebagai pembebanan pada struktur JPO. Penelitian selanjutnya adalah membuat batasan nilai frekuensi alami dari JPO, dimana batasan ini berguna agar jembatan tidak terjadi resonansi. Dengan adanya batasan ini diharapkan ada pedoman untuk merencanakan JPO agar mempunyai nilai frekuensi alami yang berada dalam batasan tersebut. Uji kasus dilakukan untuk menganalisa contoh JPO di Surabaya yaitu JPO baja yang berada di jalan Basuki Rahmat Surabaya. Didapat beberapa kesimpulan mengenai kelakuan dinamis dari struktur JPO baja, mode pertama didominasi oleh arah vertikal. Untuk frekuensi alami dari kedua struktur telah memenuhi ketentuan dari British Standart. Didapatkan kesimpulan bahwa struktur JPO tidak mengalami resonansi. Dengan didapatkannya beberapa kesimpulan di atas, maka diharapkan kelakuan dinamis struktur jembatan penyeberangan orang akibat beban manusia yang bergerak bisa lebih dipahami. Kata kunci: beban hidup, manusia bergerak, dinamis, jembatan penyeberangan 1. PENDAHULUAN 1.1.Latar Belakang Study ini akan lebih mengkonsentrasikan beban hidup akibat manusia, yang digunakan mendesain struktur jembatan penyeberangan orang. Manusia sebagai beban hidup adalah sebagai makhluk yang bergerak, sehingga pada kondisi tertentu ketika sekumpulan manusia yang melakukan aktifitas seperti bersorak dengan irama tertentu, melakukan olah raga seperti senam, berjalan bersamaan dan berlari dengan kecepatan tertentu akan mengakibatkan terjadinya vibrasi pada struktur [4; 5]. Tata cara desain jembatan sudah diatur dalam Standar Nasional Indonesia (SNI), tetapi belum menyangkut pengaruh beban manusia berjalan pada jembatan penyeberangan orang. Dalam SNI hanya diperhitungkan beban hidup sebagai beban statis, bukan ISBN I - 121

2 merupakan beban dinamis. Padahal pengaruh terbesar pada jembatan penyeberangan tersebut adalah akibat manusia bergerak yang menghasilkan reaksi vertikal dan horizontal yang bisa menimbulkan vibrasi pada jembatan. Melihat kondisi-kondisi yang pernah terjadi seperti disebut diatas, maka diperlukan adanya studi lebih lanjut tentang adanya beban dinamis dari manusia pada perencanaan Jembatan Penyebrangan Orang (JPO) di Indonesia. Penelitian dengan topik Studi Kelakuan Dinamis Struktur Jembatan Penyeberangan Orang (JPO) Akibat Beban Manusia Yang Bergerak : JPO Baja Basuki Rahmat ini bermaksud sebagai referensi agar dapat diketahui kelakuan struktur jembatan penyeberangan orang akibat beban dianamis manusia dengan studi kasus jembatan penyebrangan orang di Surabaya. 1.2.Tujuan Berdasarkan latar belakang yang telah disebutkan diatas, maka tujuan penelitian ini adalah untuk memperhitungkan beban hidup manusia bergerak pada perencanaan jembatan penyeberangan orang. Tujuan rinci dari studi ini bisa diuraikan sebagai berikut: 1 Mengkaji perilaku dinamis jembatan penyeberangan orang. 2 Mengetahui nilai frekuensi alami dan respon struktur dengan standar British Standard. Mengkaji perilaku jembatan penyeberangan orang yang mengalami vibrasi yang disebabkan oleh beban dinamis manusia tersebut 2. LITERATURE REVIEW 2.1. Beban Dinamis Manusia Vibrasi adalah getaran yang terjadi pada suatu struktur yang bergerak mengacu pada titik keseimbangan. Manusia akan menerima level tertentu dari vibrasi tergantung pada lingkungan dan aktifitas yang mereka lakukan.. Umumnya, beberapa kriteria digunakan dalam mendesain berdasarkan tingkatan dari: a) frekuensi alami; b) karakteristik damping dan c) maksimum lendutan dan kecepatan yang terjadi. Manusia adalah sensor yang sensitif terhadap vibrasi. Setengah amplitudo dari 1.00mm atau kecepatan 0.5%g akan mengganggu manusia di tempat yang sepi seperti di rumah atau kantor. Jika lingkungan menjadi ramai seperti di shopping mall atau di jembatan penyeberangan, maka toleransi menjadi naik. Ketika manusia melakukan aktifitas seperti dalam konser musik, berdansa atau aerobik, level toleransi akan naik lebih lanjut. Kesensitifan juga akan bervariasi tergantung waktu vibrasi dan jarak dari sumber vibrasi [8]. British Standard BS 5400 [2] adalah standard yang pertama kali memperhatikan kemungkinan masalah vibrasi pada jembatan. Ide ini kemudian banyak diadopsi di beberapa kode, dan tahun 1989, International Standardization Organization mengeluarkan standard ISO [3] yang meliputi beberapa lingkup vibrasi pada bangunan yang kemudian diadopsi dengan British Standard. Standard tersebut membatasi kecepatan untuk vibrasi-vibrasi sebagai fungsi waktu dan frekuensi, baik arah longitudinal maupun transversal dari manusia berdiri, duduk dan posisi tidur. Ellis [5] meneliti tentang beban kelompok meloncat dengan menggunakan analisis numerikal. Analisa ini didasarkan atas hasil eksperimen dari 64 orang yang meloncat secara kelompok dan individu. Model dasar dari beban berkelompok yang bergerak ini ISBN I - 122

3 didasarkan atas asumsi bahwa beban tersebut merupakan beban harmonis yang merupakan perkalian dari beban individu dan tambahan dari faktor pembebanan dinamik yang diselesaikan dengan menggunakan analisa Fourier, yang merupakan sebuah subjek yang mempelajari fungsi trigonometri yang lebih sederhana. Berdasarkan beban load individual dan experimen pada kelompok orang yang melakukan jumping diperoleh kesimpulan bahwa beban berkelompok bisa diaplikasikan sebagai model beban dinamis struktur. Wahyuni [7] telah membahas tentang respon dinamik pada lantai komposit akibat beban manusia berjalan yang berupa kecepatan dan perpindahan. Respon dinamik lantai komposit tersebut dibandingkan antara hasil pengetesan dan teoritis. Respon dinamik pada balok beton bertulang di atas dua perletakan yang diakibatkan oleh beban manusia jumping (meloncat-loncat) dengan frekuensi lompatan tertentu juga di kaji pada Wahyuni [6]. Diketahui bahwa jenis loncatan dari orang yang ditest akan sangat mempengaruhi respon yang terjadi pada balok. Apakah seseorang meloncat dan kembali ke balok dengan tumitnya, ataukah dengan ujung jari, ataukah dengan telapak kaki, yang pertama kali menyentuh balok, akan memberikan perbedaan hasil. Setelah dilakukan berkali-kali maka diperoleh hasil yang memuaskan untuk mengetahui respon balok beton bertulang akibat manusia meloncat dan kemudian membandingkan dengan teori yang sudah ada. Penelitian tentang response dinamis balok beton bertulang akibat beban manusia ini menyimpulkan bahwa prediksi respon struktur dapat terjadi kesalahan yang fatal akibat kesalahan dalam mengartikan model struktur ataupun akibat input data yang tidak tertentu, bahkan hanya untuk balok diatas dua perletakan. Kesimpulan lain adalah dengan menggunakan bantuan hubungan antara kekakuan statis dan kekakuan modal, dan frekuensi alami terukur, maka respon struktur akibat beban manusia bergerak dapat diprediksi dengan akurat. 2.2 Getaran Bebas Sistem struktur akan mengalami getaran bebas jika sistem struktur tersebut mengalami gangguan dari posisi keseimbangan statiknya dan bergetar bebas tanpa adanya beban dinamik luar. Gangguan tersebut berupa peralihan lateral awal dan kecepatan awal. Persamaan dinamik getaran bebas tanpa redaman adalah : m + k = 0 (1) dimana : m= massa struktur k = kekakuan lateral = peralihan lateral Karena struktur bergetar bebas, maka dalam persamaaan diatas, pada suku sebelah kanan tidak ada gaya luar yang tergantung waktu yaitu p(t). Waktu yang diperlukan oleh sistem untuk melakukan satu kali getaran disebut periode getar alami Tn (natural period of vibration) dan berhubungan dengan frekuensi getar alami ωn. Periode getar alami dinyatakan sebagai berikut : T n = (dt) (2) Jumlah getaran yang dilakukan setiap detiknya disebut frekuensi fn (natural cyclic frequency), dinyatakan sebagai berikut : f n = [ ] f n = (3) ISBN I - 123

4 3. METODOLOGI Tahapan penelitian ini dapat dijelaskan sebagai berikut: Pertama yang akan dilakukan adalah mengumpulkan data eksisting beberapa jembatan penyeberangan orang di Surabaya. Jembatan yang dipilih adalah jembatan penyeberangan orang dengan tipe struktur baja. Lalu mulai memodelkan struktur jembatan penyeberangan dengan menggunakan program SAP Setelah struktur jembatan sudah dapat dimodelkan, dilanjutkan dengan melakukan analisa struktur. Dengan melakukan analisa, dapat diketahui kelakuan dinamis struktur jembatan yang biasa disebut dengan free vibration. Tahap selanjutnya adalah akan dilakukan pembuatan model beban akibat manusia berjalan, dengan melakukan beberapa pengetesan dari hubungan manusia berjalan dengan struktur. Model beban manusia tersebut akan dibuat secara matematis sehingga bisa diterapkan dalam perhitungan analisa struktur jembatan. Pembebanan ini akan dihitung secara dinamis, sehingga akibat orang yang berjalan akan menghasilkan reaksi vertikal dan horisontal dan yang berubah terhadap waktu. Dari pengujian ini dapat dilihat respon dinamis jembatan akibat beban dinamis manusia. Dan sebagai tujuan akhir dalam Penelitian ini adalah untuk mengetahui perilaku struktur jembatan penyeberangan orang yang mengalami vibrasi yang disebabkan oleh beban dinamis manusia. 4. DATA JPO Jembatan yang dianalisa adalah di Jalan Basuki Rahmat, Surabaya, yang merupakan jembatan baja dengan satu bentang dengan panjang jembatan 26 m. dan lebar 2.7 m. Mutu baja yang digunakan dalam perencanaan JPO ini adalah dengan fy = 320 Mpa. Sedangkan profil baja struktur jembatan penyeberangan baja : 1. Balok Memanjang menggunakan profil WF 800x300x16x30 2. Balok Melintang menggunakan profil WF 300x150x6,5x9 3. Kolom menggunakan profil WF 600x300x3x4 4. Bracing menggunakan profil L 110x110x10 Sedangkan gambar struktur jembatan baja tersebut dapat dilihat pada Gambar PEMODELAN DAN ANALISA JPO Pada penelitian ini dilakukan pemodelan struktur JPO baja, sebagaimana data yang diperoleh dari survey seperti ditunjukkan pada bagian ke 4. Dari data tersebut dapat dilakukan pemodelan dengan memasukkan geometri jembatan, properti bahan yang digunakan, dan pembebanan serta kombinasinya yang terjadi pada struktur tersebut. Setelah itu dilakukan analisa struktur dengan melakukan running pada program bantu. ISBN I - 124

5 Gambar 1. JPO baja depan Mc Donald s Basuki Rahmad Dengan menggunakan program bantu SAP200, jembatan tersebut dimodelkan dan diberi beban-beban yang bekerja pada jembatan tersebut. Gambar 2a menunjukkan model jembatan dan cek desain dari struktur jembatan dan elemen-elemennya dapat dilihat pada Gambar 2b. Dari gambar tersebut dapat diketahui bahwa elemen-elemen baja tersebut memenuhi syarat perencanaan elemen baja, sehingga dapat dianalisa lebih lanjut untuk mengetahui perilaku dinamis struktur. (a) (b) Gambar 2. (a). Model JPO baja. (b). Cek desain dengan SAP PERILAKU DINAMIS 6.1. Frekuensi Alami Modal analisis dapat digunakan untuk menentukan frekuensi alami dan bentuk model getaran dari sebuah struktur. Frekuensi alami struktur adalah frekuensi dari struktur yang selama alami cenderung untuk bergetar jika struktur ini terkena gangguan. Model bentuk getaran dari sebuah struktur adalah bentuk lendutan struktur pada frekuensi yang spesifik. Ketika analisis model bekerja, terjadi getaran bebas dari struktur. Getaran bebas adalah ketika tidak ada getaran eksternal yang diaplikasikan dan redaman struktur diabaikan. Frekuensi alami suatu struktur bisa diperoleh dengan menggunakan bantuan software elemen hingga. Nilai frequensi alami ini dapat digunakan sebagai pedoman apakah suatu struktur akan mengalami resonansi atau tidak. Suatu struktur akan mengalami resonansi apabila nilai frequensi beban yang diterima struktur mendekati atau sama dengan frekuensi alaminya. Biasanya, pada 3 atau 4 pertama model harmonis yang dipertimbangkan berpotensial resonansi. Frekuensi alami pertama berkisar antara 3-4 Hz untuk getaran horizontal. Seperti disebutkan pada nilai diatas, frekuensi alami pada jembatan adalah dibawah 5 Hz pada getaran vertikal, dengan demikian sebaiknya ISBN I - 125

6 dicek pada kemampuan penggunaan getaran. Seperti disebutkan pada British Standart sejak standart Indonesia tidak menyusun getaran pada struktur akibat beban dinamis manusia. Tabel 1: Frekuensi alami struktur JPO Baja Mode Frekuensi alami Bentuk Getaran Hz Mode Arah vertikal Mode Arah horisontal Mode Arah horizontal pada tangga Mode Arah horizontal pada tangga 6.2. Mode Shape Pada umumnya sebuah struktur jembatan bisa memiliki 3 macam model getaran inti, yaitu arah horizontal, torsi, dan vertical. Dengan model getaran lateral, struktur seluruh jembatan cenderung mengarah ke getaran horizontal. Kadang-kadang pada hubungan vertical yang sangat kecil, getaran torsional dan longitudinal pada frekuensi alami yang paling rendah. Ketika sebuah jembatan bergetar dibawah model getaran vertical, keseluruhan struktur jembatan akan bergetar pada bidang vertical, dan dibawah model getaran torsional, pelat akan berputar. Empat (4) bentuk mode pertama dapat dilihat pada Gambar 3 berikut. (a) Mode ke-1 (b) Mode ke-2 (c). Mode ke-3 (d) Mode ke-4 Gambar 3. Ke-empat bentuk mode pertama dari JPO Baja Dari Table 1 dan Gambar 3 di atas diketahui bahwa getaran arah horizontal lebih dari 5 Hz, sehingga struktur dianggap aman akibat dari pengaruh getaran beban dinamis. Apabila nilainya kurang, maka perlu di cek terhadap beban dinamisnya. ISBN I - 126

7 Seminar Nasional VIII Teknik Sipil ITS Surabaya 6.3. Model Beban Pejalan Kaki dan Aplikasinya Pejalan kaki mempengaruhi beban yang yang terjadi akibat adanya aktifitas pada struktur JPO, khususnya berjalan. Beban dalam kaitannya dengan berjalan dapat diwakili dengan suatu dere fourier dengan koefisien frekuensi yang terpisah. Fungsi tekanan dalam kaitannya dengan rytme tubuh seseorang dapat dijelaskan menggunakan suatu deret fourier: I F( t) G 1 rn sin 2nf n t n (4) n 1 Dimana G= Beban mati dari pejalan kaki (800N), r n = Koefisien Fourier dari i-th yang harmoni, fp = tingkat aktivitas 1/Tp (Hz), t = waktu (s), n = sudut fase i-th yang harmoni, I = nomor dari i-th yang harmoni dan n = total nomor harmoni. Dari model beban tersebut, maka untuk melakukan pemodelan sebagai beban dinamis manusia, maka persamaan (4) tersebut dihitung berdasarkan fungsi waktu, akan diperoleh grafik sebagai berikut: Gambar 4. F(t) berdasarkan fungsi waktu 0.6 s Setelah mengetahui fungsi dari beban berjalan normal, dibuat permodelan beban berjalan manusia dengan program bantu SAP Dengan bantuan Bridge-Vehicle, beban manusia di transformasikan menjadi beban terpusat yang berjalan dengan berat massa 800 N. Lalu, lintasan beban mulai dibuat dengan memanfaatkan lane pada menu bridge. Lintasan yang digunakan adalah ditengah bentang jembatan, mulai jarak 0 m 25 m untuk JPO baja. Langkah selanjutnya setelah lintasan dapat didefinisikan adalah menentukan load pattern untuk kedua struktur JPO. Beban yang digunakan adalah beban manusia dengan tipe bridge live. Waktu mulai beban dimulai pada detik ke 0 s. Kecepatan orang berjalan normal adalah 1.39 m/s seperti yang diutarakan oleh ellis (2000). Sehingga waktu yang dibutuhkan oleh beban untuk sampai pada ujung lintasan adalah 18 s. Setelah load pattern terdefinisi, langkah selanjutnya adalah menentukan load case yang akan dipakai. Dengan menggunakan tipe load case time history, fungsi beban yang dipakai adalah beban manusia yang telah didefinisikan dengan fungsi time history antara beban tekanan tubuh dengan waktu seperti tergambarkan pada grafik 6.2 F(t) berdasarkan fungsi waktu 0.6 s. Proses running mulai bisa dilaksanakan setelah ISBN I - 127

8 langkah-langkah diatas terpenuhi. Untuk proses running, hanya beban manusia dan beban mati yang digunakan. Dari analisa tersebut, diketahui frekuensi struktur JPO akibat beban dinamis manusia berjalan, seperti contoh yang ditunjukkan dalam Gambar 5, yaitu frekuensi struktur pada kondisi beban ditengah bentang atau beban maksimal yang memperngaruhi struktur. Dari pembebanan tersebut diperoleh bahwa nilai frekuensi struktur adalah 2.9 Hz. Struktur JPO akan mengalami resonansi ketika frekuensi akibat beban dinamis manusia mendekati frekuensi alami dari struktur JPO tersebut. < 0.5 atau > 2 tidak terjadi resonansi. Sehingga dapat dibuktikan bahwa struktur tersebut tidak mengalami resonansi akibat beban manusia yang berjalan. Gambar 5. Pengaruh getaran akibat beban pejalan kaki di tengah bentang 7. KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diperoleh dari penelitian ini adalah 1. Untuk bentuk getaran dari mode pertama, struktur JPO baja didominasi oleh bentuk getaran vertikal. Hal ini mengindikasikan bahwa struktur JPO baja sangat rentan terhadap beban vertical dibandingkan dengan beban horizontal dan torsi. 2. Dari penelitian ini diperoleh frekuensi alamai struktur JPO baja adalah 7.675Hz, maka sesuai aturan British Standard, untukstruktur yang frekuensi alami fundamental untuk getaran melebihi 5 Hz dalam arah vertical dan 1,5 Hz untuk jembatan arah horizontal, getaran persyaratan servis dianggap memuaskan. 3. Dari analisa pembebanan dinamis akibat pejalan kaki pada struktur JPO diperoleh nilai frekuensi struktur akibat beban ditengah bentang adalah 2.9 Hz. Dengan nilai ini berarti dapat dibuktikan bahwa struktur tidak mengalami resonansi akibat beban yang ada. ISBN I - 128

9 Daftar Pustaka 1. BMS, 1992, Bridge Design Code Vol. 1, Bridge Management System, Dinas Pekerjaan Umum, Jakarta. 2. BSI (British Standard Institution). (1978), Steel, Concrete and Composite Bridges; Part 1 General Statement, BS : 1978, BSI, London, UK. 3. BSI ISO (British Standard Institution International Standard Organization). (2001). Mechanical Vibration and Shock Evaluation of human exposure to whole body vibration, BSI ISO , BSI, London, UK. 4. Brownjohn, J.M.W., A. Pavic. (2007), Experimental methods for estimating modal mass in footbridges using human-induced dynamic excitation, Elsevier, Engineering Structures, 29(21): Ellis, B. R. and T. Ji (2004). "Load generated by jumping crowds: numerical modelling." The Structural Engineer 82(17): Wahyuni, E (2007). Static Stiffness and Modal Stiffness of a Strukture, PhD thesis, University of Manchester, Manchester, UK. 7. Wahyuni, E (2009). Using Dynamic Measurements to Predict Structural Responses of a Composite Floor Induced by an Individual Walking Load. The 1st International Seminar on Sustainable Infrastructure and Built Environment in Developing Countries, November 2-3, 2009, Bandung - Indonesia. 8. Wyatt, T.A. (1989). Design guide on the vibration of floors, Ascot, Steel Construction Institute, London, UK ISBN I - 129