LAPORAN AKHIR PENELITIAN DOSEN MADYA

Transkripsi

1 LAPORAN AKHIR PENELITIAN DOSEN MADYA OPTIMASI SISTEM STRUKTUR CABLE-STAYED AKIBAT BEBAN GEMPA Tahun Ke-1 rencana 1 (satu) tahun Ketua: Ir. Murdini Mukhsin, MT. (NIDN ) Anggota: Yusep Ramdani, ST., MT. (NIDN ) UNIVERSITAS SILIWANGI OKTOBER

2 2

3 RINGKASAN Struktur jembatan cable stayed merupakan salah satu struktur jembatan yang memiliki rasio bentang jembatan terhadap tinggi dek yang tinggi sehingga struktur jembatan jauh lebih ringan dibandingkan jembatan yang ditumpu oleh banyak pilar. Jembatan cable stayed merupakan pilihan utama untuk jembatan bentang panjang karena struktur jembatan cable stayed menghasilkan bentuk geometri dan elemen-elemen struktur yang relatif ringan dan ekonomis. Hasil analisis bentuk geometri pada jembatan cable stayed menunjukan bentuk susunan kabel semi harp menengahi permasalahan dimensi pada susunan harp dan permasalahan pelaksanaan pemasangan pada susunan fan. Hasil analisis statik menunjukkan bahwa pada masa layan pengaruh beban lalu lintas menyebabkan kemungkinan terjadinya lendutan keatas dan kebawah pada dek sehingga terjadi pembalikan tegangan pada dek. Sedangkan beban tetap dan lalu lintas akan mempengaruhi perencanaan pylon dan kabel jembatan. 3

4 PRAKATA Puji dan syukur dipanjatkan kepada Alloh SWT, berkat rahmat dan kurnia- Nya, penyusunan Laporan Penelitian dengan judul Optimasi Sistem Struktur Cable-Stayed Akibat Beban Gempa dapat diselesaikan. Kami menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari kata sempurna. Oleh sebab itu, saran dan kritik yang bersifat membangun dari para pembaca sangat diharapkan yang menjadikan laporan penelitian ini menjadi lebih baik baik. Kami sampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam proses penyelesaian laporan penelitian. Semoga penelitian ini dapat bermanfaat bagi semua pihak yang membutuhkannya. Amien. Tasikmalaya, 31 Oktober 2016 Ketua Peneliti, Murdini Mukhsin, MT NIDN

5 DAFTAR ISI Halaman Judul Halaman Pengesahan Ringkasan Prakata Daftar Isi Daftar Tabel Daftar Gambar Daftar Lampiran i ii iii iv v vi vii x Bab 1 Pendahuluan 1 Bab 2 Tinjauan Pustaka 3 Bab 3 Tujuan Dan Manfaat Penelitian 14 Bab 4 Metode Penelitian 15 Bab 5 Hasil Yang Dicapai 18 Bab 6 Rencana Tahapan Berikutnya 45 Bab 7 Kesimpulan Dan Saran 46 Daftar Pustaka Lampiran 5

6 DAFTAR TABEL Tabel 5.1. Hasil perhitungan pembesaran momen pada pylon bawah 41 6

7 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Pertemuan 3 (tiga) lempeng di wilayah Indonesia 3 Gambar 2.2. Penampang kabel dengan strand 5 Gambar 2.3. Tipe susunan kabel 5 Gambar 2.4. Angkur pada Dek dan Pylon 6 Gambar 2.5. Beberapa tipe menara 7 Gambar 2.6. Dek berbentuk box girder 7 Gambar 2.7. Pemodelan struktur cable stayed 8 Gambar 2.8. Elemen batang 9 Gambar 2.9. Elemen balok kolom 9 Gambar Gaya aksial S 1 dan S 7 10 Gambar Momen puntir S4 dan S10 10 Gambar Gaya geser S2 dan S8 11 Gambar Momen lentur S6 dan S12 12 Gambar Gaya geser S3 dan S9 12 Gambar Rectangular plate elemen 13 Gambar 4.1. Penempatan kabel fan system 15 Gambar 4.2. Penempatan kabel Harp system 15 Gambar 4.3. Penempatan kabel Modified fan system 16 Gambar 4.4. Bentuk Pylon yang digunakan 16 Gambar 4.5. Bagan alir penelitian 17 Gambar 5.1. Penampang melintang box girder 18 Gambar 5.2. Kurva hubungan antara lendutan dek, tinggi dek dan inersia pylon 18 Gambar 5.3. Penampang memanjang jembatan cable stayed 19 Gambar 5.4. Tegangan untuk satu pias dek 19 Gambar 5.5. Grafik tegangan dek akibat kombinasi beban SLS 1A 22 Gambar 5.6. Grafik tegangan dek akibat kombinasi beban SLS 1B 22 Gambar 5.7. Grafik tegangan dek akibat kombinasi beban SLS 1C 23 7

8 Gambar 5.8. Grafik tegangan dek akibat kombinasi beban SLS 1D 23 Gambar 5.9. Grafik tegangan dek akibat kombinasi beban SLS 2 24 Gambar Grafik tegangan dek akibat kombinasi beban SLS 3 24 Gambar Grafik tegangan dek akibat kombinasi beban SLS 5 25 Gambar Distribusi tegangan akibat deck prestressing 26 Gambar Distribusi tegangan akibat bottom slab prestressing 26 Gambar Tipe susunan kabel untuk pemodelan 28 Gambar Kurva gaya aksial pylon berbagai tipe susunan cable 29 Gambar Kurva gaya geser pylon arah 22 pada berbagai tipe susunan cable 29 Gambar Kurva gaya geser pylon arah 33 pada berbagai tipe susunan cable 30 Gambar Kurva momen lentur pylon arah 22 pada berbagai tipe susunan cable 30 Gambar Kurva momen lentur pylon arah 33 pada berbagai tipe susunan cable 31 Gambar Kurva tegangan dek atas pada berbagai tipe susunan cable Gambar Kurva tegangan dek bawah pada berbagai tipe susunan cable 32 Gambar Kurva hubungan lendutan dek, diameter kabel dan Inersia pylon 37 Gambar Penampang pylon 38 Gambar Kurva hubungan antara kemiringan kabel dan lendutan dek 39 Gambar 5.25 Grafik gaya aksial pylon dalam berbagai kondisi pembebanan 42 Gambar 5.26 Grafik gaya geser arah 22 pada pylon dalam berbagai kondisi pembebanan 42 Gambar 5.27 Grafik gaya geser arah 33 pada pylon dalam berbagai kondisi pembebanan 43 Gambar 5.28 Grafik momen lentur arah 22 pada pylon dalam berbagai kondisi pembebanan 43 8

9 Gambar 5.29 Grafik momen lentur arah 33 pada pylon dalam berbagai kondisi pembebanan 44 9

10 DAFTAR LAMPIRAN Dokumentasi Fisik Penelitian 10

11 BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Dalam beberapa dekade terakhir jembatan cable-stayed telah digunakan secara luas di seluruh dunia. Penggunaan secara luas struktur jembatan ini mulai terealisasi baru-baru ini, dengan pengenalan high-strength steel, dek jembatan tipe orthotropic, pengembangan teknik pengelasan yang baru, dan kemajuan dalam analisis struktur. Semakin berkembangnya bentuk dan tipe jembatan cable stayed memberikan tantangan kepada para insinyur untuk menemukan hal yang semakin inovatif dan menantang dikarenakan struktur jembatan cable-stayed banyak digunakan sebagai penghubung 2 (dua) daratan, daerah, wilayah bahkan menghubungkan 2 (dua) kepulauan atau lebih. Struktur jembatan cable-stayed sering digunakan untuk menghubungkan 2 (dua) wilayah yang sangat jauh sehingga struktur jembatan ini sangat cocok memiliki pulau bentang yang sangat panjang. Indonesia adalah negara kepulauan dengan karakteristik wilayah gempa yang tersebar mulai Sabang sampai Merauke. Karakteristik gempa yang terjadi di wilayah Indonesia akan mempengaruhi proses perancangan struktur jembatan cable-stayed pada setiap wilayahnya. Analisa beban gempa dalam perhitungan struktur jembatan cable-stayed sangat penting, karena sistem pylon jembatan cablestayed bersentuhan langsung dengan tanah keras sebagai media pelepasan energi sesaat pada saat terjadi gempa bumi. Secara otomatis besarnya gempa bumi akan mempengaruhi bentuk geometri kabel, type pylon, bentuk dek dan panjang bentang jembatan Rumusan Masalah Indonesia merupakan daerah pertemuan 3 (tiga) lempeng tektonik besar, yaitu lempeng Indo-Australia, Eurasia dan lempeng Pasific. Pertemuan lempeng ini memberikan akumulasi energi tabrakan sampai suatu titik dimana lapisan bumi tidak lagi sanggup menahan tumpukan energi sehingga lepas. Pelepasan energi sesaat ini berupa percepatan gelombang seismik, tsunami, longsor, dan liquefaction 11

12 akan menimbulkan berbagai dampak terhadap bangunan-bangunan sipil diantaranya:struktur gedung, jembatan, bendungan, jalan dan lainnya. Berdasarkan permasalahan tersebut, penelitian ini dilakukan untuk mengkaji optimasi struktur jembatan cable-stayed akibat pengaruh beban gempa dengan perumusan masalah sebagai berikut: a) Bagaimanakah pengaruh zonasi gempa di wilayah Indonesia dapat berpengaruh terhadap desain struktur jembatan cable-stayed? b) Ketika beban gempa statik dan beban gempa dinamik bekerja pada struktur jembatan cable-stayed, apakah akan memberikan perilaku yang sama atau berbeda pada setiap elemen struktur jembatan cable-stayed? c) Apakah perbedaan dalam pemilihan bentuk geometri kabel, bentuk pylon, bentuk dek dan panjang bentang jembatan dapat dioptimalkan dalam proses desain elemen struktur jembatan cable-stayed? 12

13 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Umum Indonesia merupakan negara yang secara geologis memiliki posisi yang unik karena berada pada pusat tumbukan Lempeng Tektonik Hindia Australia di bagian selatan, Lempeng Eurasia di bagian Utara dan Lempeng Pasifik di bagian Timur laut. Lempeng Indo-Australia bertabrakan dengan lempeng Eurasia di lepas pantai Sumatra, Jawa dan Nusatenggara, sedangkan dengan Pasific di utara Irian dan Maluku Utara. Hal ini mengakibatkan Indonesia mempunyai tatanan tektonik yang komplek dari arah zona tumbukan yaitu fore arc, volcanic arc dan back arc. Gambar 2.1. Pertemuan 3 (tiga) lempeng di wilayah Indonesia Mengingat Indonesia adalah wilayah yang rawan terjadi gempa, maka salah satu cara untuk mengurangi kerusakan bangunan akibat gempa tersebut adalah dengan cara merencanakan bangunan tahan gempa berdasarkan peraturan-peraturan yang ada di Indonesia. Implementasi dari peraturan-peraturan tersebut adalah dengan melakukan perencanaan struktur bangunan dengan pendekatan finite element method (metode elemen hingga). Salah satu cara mengaplikasikan metode tersebut dapat dilakukan dengan bantuan pengunaan software aplikasi. Khususnya untuk struktur jembatan cable-stayed yang memiliki bentang panjang dengan 13

14 penopang jembatan berupa pylon yang cukup berperan dalam mereduksi beban gempa, pemodelan dapat dilakukan dalam ruang 3 dimensi (3D). Untuk melakukan pendekatan idealisasi tersebut maka diperlukan pemodelan struktur berdasarkan material bahan yang digunakan. Salah satu bentuk pemodelan tersebut diantaranya penggunaan rangka baja sebagai struktur dek maka dek diidealisasikan sebagai sebuah struktur frame, sedangkan bila dek yang digunakan menggunakan bahan beton bertulang maka pemodelan dek dapat dilakukan dengan metode shell Struktur Jembatan Cable-Stayed Jembatan cable-stayed adalah salah satu jembatan yang memiliki struktur lantai kendaraan pada satu atau beberapa titik digantung secara elastik pada kabel. Jembatan ini menggunakan sistem kabel sebagai salah satu tumpuannya. Jembatan ini semakin populer seiring kemampuannya mengatasi bentang yang panjang. Kekhususan jembatan ini ditandai dengan daya tarik estetika, penggunaan material struktur secara lebih efisien dan kecepatan cara kerja konstruksinya dan elemen struktural yang dimensinya relatif semakin kecil. Elemen struktur jembatan jembatan cable-stayed yang penting adalah kabel, angkur, menara dan dek Kabel Kabel merupakan bagian jembatan cable-stayed yang menahan gaya tarik, kabel ini harus terhindar dari fatigue dan diproteksi terhadap korosi, terutama pada lingkungan yang agresif. Kabel yang biasa digunakan adalah kabel tipe ikatan wire paralel atau strand paralel yang panjang, karena memiliki modulus elastisitas yang tinggi dan konstan. Gambar penampang menyeluruh kabel dengan strand dapat dilihat pada Gambar 2.2. Strand diletakkan berdekatan, dibungkus dengan helical strand. 14

15 Gambar 2.2. Penampang kabel dengan strand Pemilihan jumlah dan susunan kabel berpengaruh terhadap dimensi gelagar dan menara serta metode pelaksanaan struktur jembatan cable-stayed. Sistem penataan kabel dapat berupa sistem harp (harpa) dimana kabel dipasang sejajar dan disambungkan ke menara dengan ketinggian yang berbeda-beda satu sama lain, sistem radiating dimana kabel dipusatkan pada ujung atas menara dan disebar sepanjang bentang pada gelagar, sistem fan (kipas) dimana kabel disebar pada bagian atas menara dan pada dek sepanjang bentang yang menghasilkan kabel tidak sejajar dan sistem star dimana kabel tersebar sepanjang gelagar. Gambar 2.3. memberikan ilustrasi dari beberapa sistem penataan kabel jembatan cable-stayed. Gambar 2.3. Tipe susunan kabel 15

16 Pada sistem harp, untuk jarak kabel tetap pada dek dan berat gelagar tetap, terjadi gaya kabel yang sama, sedangkan pada sistem fan gaya kabel akan berkurang. Pada sistem kabel fan, gaya tekan pada menara akan lebih besar dan pada dek akan lebih kecil, hal ini berlaku sebaliknya jika sistem harp sehingga akan menimbulkan tekuk yang besar untuk jembatan bentang panjang Angkur Angkur adalah tempat ujung kabel yang dikaitkan ke penumpu. Angkur harus menyalurkan gaya kabel pada dek jembatan dan pylon. Pada pylon kabel dapat diangkur atau sebagai kabel menembus pylon. Kabel diangkur pada menara di setiap sisi secara terpisah seperti pada Gambar 2.4. Gambar 2.4. Angkur pada Dek dan Pylon Menara Menara adalah komponen jembatan cable-stayed yang berfungsi sebagai tumpuan dan rangkaian kabel. Desain menara menunjukkan estetika dari jembatan cable-stayed, maka perancang harus memilih proporsi dan bentuk yang baik. 16

17 Sebagian besar menara dibuat dari beton karena relatif lebih murah dan mudah dibentuk dibandingkan dengan baja. Gambar 2.5. Beberapa tipe menara Menara tipe A ini mempunyai kekakuan lateral yang lebih besar dibandingkan tipe lainnya. Kaki menara dapat disatukan di bawah dek (Gambar 2.5 (c)). Penggunaan menara dengan bentuk-a pada daerah dengan kecepatan angin yang tinggi adalah solusi optimal dari segi penampilan dan stabilitas aeroelastik Dek Dek jembatan cable-stayed terdiri atas tipe rangka padat (stiffening truss) dan tipe profil padat (solid web). Tipe rangka batang memerlukan proses fabrikasi lebih kompleks, relatif sulit dalam perawatan dan mudah terpengaruh korosi sehingga jarang digunakan. Tipe profil padat terdiri atas gelagar pelat (plate girder) dan gelagar box (box girder), gelagar box memiliki kekakuan torsional lebih tinggi dibandingkan gelagar pelat sehingga cocok untuk jembatan yang mengalami torsi yang sangat besar. Gambar 2.6 Dek berbentuk box girder 17

18 2.3. Pemodelan Elemen Struktur Perilaku dari komponen struktur yang dimodelkan harus dapat diwakili oleh elemen yang menjadi modelnya. Untuk itu dalam penelitian ini digunakan tiga jenis elemen hingga. Kabel dimodelkan sebagai elemen satu dimensi yang setiap titik nodalnya mempunyai satu derajat kebebasan di arah aksial, menara dimodelkan sebagai elemen tiga dimensi yang setiap titik nodalnya mempunyai 6 derajat kebebasan, tiga translasi arah sumbu (X,Y dan Z) dan tiga rotasi dalam arah vektorial sumbu (X,Y dan Z), dan dek dimodelkan sebagai elemen 3 dimensi yang setiap nodalnya mempunyai tiga derajat kebebasan, translasi arah sumbu Z dan rotasi dalam arah vektorial sumbu (X dan Y). Elemen batang Elemen pelat Elemen balok kolom Gambar 2.7. Pemodelan struktur cable stayed Elemen dengan Satu Derajat Kebebasan ( Elemen kabel ) Elemen ini mempunyai karakteristik menghubungkan dua titik nodal, hanya dapat menahan gaya-gaya aksial (tarik dan tekan), dan mempunyai derajat kebebasan satu untuk setiap titik nodalnya. Khusus untuk elemen kabel, untuk setiap kondisi pembebanan yang akan terjadi pada struktur jembatan, gaya aksial pada kabel harus selalu berupa gaya tarik karena kekakuan aksial kabel hanya untuk menahan gaya tarik. Jika pada satu kondisi pembebanan ada kabel yang tertekan, maka pemodelan diperbaiki atau kabel yang tertekan diasumsikan mempunyai kekakuan sangat kecil. Matriks kekakuan k dan matriks gaya temperatur Q untuk elemen batang. 18

19 Gambar 2.8. Elemen batang persamaan matriks untuk elemen satu dimensi adalah: S S 1 2 AE L u1 1 AE T (2.3.1) 1 u 1 2 jika pengaruh temperatur diabaikan maka persamaan (2.3.1) akan menjadi: S S 1 2 AE L u 1 u 1 2 (2.3.2) Elemen dengan Enam Derajat Kebebasan (Elemen balok-kolom) Elemen balok diasumsikan sebagai batang lurus yang seragam yang dapat menahan gaya aksial, momen lentur dan torsi. Gaya-gaya yang bekerja pada balok adalah sebagai berikut : gaya aksial (S1, S7), gaya geser (S2, S3, S8, dan S9), momen lentur (S5, S6, S11, dan S12) dan torsi (S4 dan S10). Gambar 2.9. Elemen balok kolom 19

20 Gaya Aksial (S1 dan S7) Gambar Gaya aksial S1 dan S7 EA S1 u1 EAT m (2.3.3) L dan dari persamaan kesetimbangan pada arah x diperoleh : S1 = -S7 (2.3.4) Momen Puntir ( S4 dan S10 ) Gambar Momen puntir S4 dan S10 GJ S4 u 4 (2.3.5) L dengan meggunakan kondisi kesetimbangan untuk momen puntir maka : S10 = - S4 (2.3.6) Gaya Geser ( S2 dan S8 ) 20

21 Gambar Gaya geser S2 dan S8 S2L S8 (2.3.7) 2 M Tx 12EI z dan (2.3.8) 2 GA L s perlu diketahui disini bahwa kondisi batas berdasarkan teori lentur terjadi ketika shear deformation υs diambil saat dυb/dx = 0; yaitu kemiringan berdasarkan bending deformation adalah nol. Gaya sisa yang bekerja pada balok dapat ditentukan dari persamaan kesetimbangan ; oleh karena itu S8 -S 2 (2.3.9) 21

22 Momen Lentur ( S6 dan S12 ) Gambar Momen lentur S6 dan S12 dan S S 6M Tz (2.3.10) (4 ) L (4 ) L Gaya Geser ( S3 dan S9 ) Gambar Gaya geser S3 dan S9 yang memeperlihatkan arah positif dari momen lentur S5 dan S11 adalah berlawanan dengan S6 dan S12, Momen Lentur ( S5 dan S11 ) Sama dengan sebelumnya maka : 22

23 matriks kekakuan yang diperoleh diatas dapat digabungkan menjadi sebuah matriks sebagai berikut : k k k.. k 1,1 2,1 12,1 k 1, k k 1, , Elemen dengan Tiga Derajat Kebebasan (Elemen Pelat Lentur) Pelat lentur yang dimodelkan disini ialah pelat lentur persegi dengan tiga derajat kebebasan untuk setiap titik nodalnya, yaitu translasi arah sumbu Z dan rotasi dalam arah vektorial sumbu X dan Y, sehingga elemen pelat lentur ini mempunyai 12 derajat kebebasan, Gambar Rectangular plate elemen Sebuah fungsi perpindahan digunakan untuk menghitung kekakuan dari pelat lentur yang berbentuk rectangular berbentuk : uz = au u z c c2x c3 y c4x c5xy c6 y c7x c8x y c9xy c10 y c11x y c12xy (2.3.11) 23

24 BAB 3 TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN 3.1. Tujuan Penelitian Tujuan Penelitian ini adalah : a) Melakukan proses analisa beban gempa statik dan dinamik yang bekerja pada struktur jembatan cable-stayed berdasarkan zonasi gempa di wilayah Indonesia terkini. b) Melakukan desain elemen struktur jembatan cable-stayed berdasarkan beban gravitasi, beban angin dan beban gempa. c) Melakukan optimasi perancangan elemen struktur jembatan cable-stayed pada variasi pemilihan bentuk geometri kabel, bentuk pylon, bentuk dek dan panjang bentang jembatan Manfaat Penelitian Manfaat dari penelitian ini adalah: a) Diperolehnya analisis beban gempa statik dan dinamik yang bekerja pada struktur jembatan cable-stayed berdasarkan zonasi gempa di wilayah Indonesia terkini. b) Diperolehnya desain elemen struktur jembatan cable-stayed berdasarkan beban gravitasi, beban angin dan beban gempa. c) Diperolehnya perancangan elemen struktur jembatan cable-stayed pada variasi pemilihan bentuk geometri kabel, bentuk pylon, bentuk dek dan panjang bentang jembatan. 24

25 BAB 4 METODE PENELITIAN 4.1. Umum Dalam Penelitian ini digunakam model struktur jembatan cable stayed dengan menggunakan kabel sebagai elemen truss, pylon sebagai lemen frame dan dek sebagai elemen shell. Kemudian dimodelkan konfigurasi struktur kabel dengan 3 variasi bentuk. Konfigurasi kabel yang digunakan adalah fan system, harp system, dan modified fan system. Gambar 4.1. Penempatan kabel fan system. Gambar 4.2. Penempatan kabel Harp system. 25

26 Gambar 4.3. Penempatan kabel Modified fan system. Gambar 4.4. Bentuk Pylon yang digunakan Lokasi Penelitian Dalam penelitian ini struktur jembatan cable stayed yang direncanakan berada di wilayah Indonesia Teknik Pengumpulan Data Proses penelitian dilakukan dengan cara menjabarkan peraturan SNI terkini mengenai pembebanan gempa sesuai zonasi kegempaan di wilayah Indonesia, standar peraturan struktur baja dan beton bertulang. Kemudian dilakukan analisis struktur dengan pemodelan 3 dimensi (3D) menggunakan software aplikasi SAP Data-data hasil analisis struktur berupa gaya-gaya dalam dianalisa sebagai data perencanaan struktur. 26

27 4.4. Tahapan Penelitian Untuk mendapatkan optimasi struktur jembatan cable stayed akibat beban gempa maka perlu dilakukan beberapa pemodelan struktur, kemudian hasil dari analisis struktur dibandingkan untuk mendapatkan konfigurasi bentuk paling optimum. Adapun langkah-langkahnya lebih lengkap dijelaskan dengan bagan alir sebagai berikut: STUDI LITERATUR - Konsep dan teori - Review peraturan-peraturan VERIFIKASI SOFTWARE - Analisis 3D jembatan cable stayed PEMODELAN STRUKTUR -Pemodelan masing masing variasi konfigurasi kabel dengan menggunakan software SAP 2000 ANALISIS MODAL - Bentuk Modal - Perioda waktu - Frekuensi - Defleksi maksimum - Reaksi dan gaya dalam ANALISIS DINAMIK - Diagram tegangan - Gaya dalam elemen - Defleksi KESIMPULAN DAN SARAN SELESAI Gambar 4.5. Bagan alir penelitian 27

28 lendutan (m) BAB 5 HASIL YANG DICAPAI 5.1. Penampang Dek Jembatan Cable Stayed Lebar lantai kendaraan yang digunakan sebesar 16,5 m untuk dua jalur lalu lintas, lebar lantai kendaraan adalah sebesar 33 m. Sedangkan lebar jembatan seluruhnya adalah sebesar 35 m. Penampang box girder terdiri atas penampang dengan diaphragma dan tanpa diaphraghma. Sesuai peraturan lendutan maksimum sebesar 1,5 m maka tinggi dek yang digunakan pada jembatan cable stayed ini adalah sebesar 3,5 m Gambar 5.1. Penampang melintang box girder kabel dek Lendutan max di deck pada penggunaan kabel diameter 0.25 m tinggi dek (m) I1 (5m x 5m) I2 (8m x 8m) I3 (11m x 11m) I4 (14m x 14m) -3.5 Gambar 5.2. Kurva hubungan antara lendutan dek, tinggi dek dan inersia pylon 28

29 Jembatan cable stayed mempunyai bentang utama sepanjang 760 m dan bentang tepi sepanjang 380 m serta jarak antar kabel direncanakan sebesar 10 m dimana rasio antara bentang tepi dan bentang tengah adalah ½ sehingga dapat digunakan metode balance cantilever pada tahap. Gambar 5.3. Penampang memanjang jembatan cable stayed Pada masa layan ini sistem pembebanan pada dek hanya beban lalu lintas saja yang bekerja, hal ini telah dijelaskan pada bab sebelumnya. Gambar 5.4. Tegangan untuk satu pias dek Hasil perhitungan dengan menggunakan software SAP 2000 diperoleh besar tegangan maksimum yang terjadi di dek akibat berat sendiri dek dan beban superimposed adalah sebagai berikut : Akibat berat sendiri dek : Tegangan pada serat atas = - 935,295 kn/m 2. Tegangan pada serat bawah = 372,056 kn/m 2. Akibat beban superimposed : Tegangan pada serat atas = - 270,71 kn/m 2. 29

30 Tegangan pada serat bawah = 58,51 kn/m 2. Sedangkan untuk mendapatkan tegangan maksimum di dek akibat beban lalu lintas maka perlu dilakukan kombinasi pembebanan. Adapun kombinasi pembebanan tersebut dibagi menjadi beberapa kombinasi antara lain : SLS 1A : beban lajur di sepanjang bentang + beban rem + beban temperatur SLS 1B : beban lajur di tengah bentang + beban rem + beban temperatur SLS 1C : beban lajur di satu sisi tepi bentang + beban rem + beban temperatur SLS 1D : beban lajur di dua sisi tepi bentang + beban rem + beban temperatur SLS 2 : beban lajur + beban rem + beban temperatur + beban pejalan kaki SLS 3 : beban lajur + beban rem + beban temperatur SLS 5 : beban lajur + beban rem + beban temperatur + beban angin Hasil analisis struktur yang berupa tegangan yang terjadi akibat kombinasi pembebanan pada dek dapat dilihat pada Gambar 5.5 sampai dengan Gambar Dari grafik tegangan pada Gambar 5.5 sampai dengan Gambar tersebut diperoleh data tegangan maksimum dan minimum yang terjadi pada dek adalah sebagai berikut : Tegangan pada serat atas Teg (negatif) = - 6, kn/m 2 Teg (positif) = + 6, kn/m 2 Tegangan pada serat bawah Teg (negatif) = - 10, kn/m 2 30

31 Teg (positif) = kn/m 2 Hasil tegangan-tegangan maksimum dan minimum ini kemudian digunakan sebagai dasar dalam analisis perencanaan prestress pada dek. 31

32 Grafik tegangan dek akibat kombinasi SLS 1A (beban hidup dan rem di sepanjang bentang) 45 m 178 m Tegangan (kn/m2) 45 m 178 m 10 m x serat atas 2000 Tegangan (kn/m2) Tegangan serat bawah tegangan serat atas tegangan serat bawah Jarak titik tinjauan dari pylon (m) Gambar 5.5. Grafik tegangan dek akibat kombinasi beban SLS 1A Grafik tegangan dek akibat kombinasi SLS 1B (beban hidup dan rem di tengah bentang) 10 m x serat atas tegangan serat atas Tegangan serat bawah tegangan serat bawah Jarak titik tinjauan dari pylon (m) Gambar 5.6. Grafik tegangan dek akibat kombinasi beban SLS 1B 32

33 Grafik tegangan dek akibat kombinasi SLS 1C (beban hidup dan rem di satu sisi bentang) 178 m 45 m 10 m x serat atas 6000 Tegangan (kn/m2) tegangan serat atas Tegangan serat bawah tegangan serat bawah Jarak titik tinjauan dari pylon (m) Gambar 5.7. Grafik tegangan dek akibat kombinasi beban SLS 1C Grafik tegangan dek akibat kombinasi SLS 1D (beban hidup dan rem di dua sisi bentang) 45 m 178 m Tegangan (kn/m2) 10 m x serat atas 5000 Tegangan serat bawah tegangan serat atas tegangan serat bawah Jarak titik tinjauan dari pylon (m) Gambar 5.8. Grafik tegangan dek akibat kombinasi beban SLS 1D 33

34 Grafik tegangan dek akibat kombinasi SLS m Tegangan (kn/m2) 45 m 45 m 178 m 10 m x serat atas Tegangan (kn/m2) tegangan serat atas Tegangan serat bawah tegangan serat bawah Jarak titik tinjauan dari pylon (m) Gambar 5.9. Grafik tegangan dek akibat kombinasi beban SLS 2 Grafik tegangan dek akibat kombinasi SLS 3 10 m x serat atas Tegangan serat bawah tegangan serat atas tegangan serat bawah Jarak titik tinjauan dari pylon (m) Gambar Grafik tegangan dek akibat kombinasi beban SLS 3 34

35 Grafik tegangan dek akibat kombinasi SLS Tegangan (kn/m2) 178 m 45 m 10 m x 35 serat atas Tegangan serat bawah tegangan serat atas tegangan serat bawah Jarak titik tinjauan dari pylon (m) Gambar Grafik tegangan dek akibat kombinasi beban SLS 5 a. Penentuan gaya prategang awal yang dibutuhkan (Pa dan Pb) Prategang yang digunakan dalam analisis jembatan cable stayed ini adalah central prestressing/straight tendon pada bagian atas dan bawah penampang box girder. Direncanakan untuk central presstressing eksentrisitas tendon dibatasi oleh selimut beton yaitu sebesar 300 mm, maka eksentrisitas central prestressing sebagai berikut : Eksentrisitas tendon deck slab ea = 1381,1 mm Eksentrisitas tendon bottom slab eb = 1818,9 mm Untuk Teg (positif) = + 6, kn/m 2, dimana pada serat atas terjadi tegangan tarik maka dipasang prestress (Pa) pada deck slab, dengan asumsi tegangan tarik pada serat atas tidak terjadi (fatas = 0) maka Pa sebesar : 35

36 Gambar Distribusi tegangan akibat deck prestressing P a P a * e a * y a f atas A I serat atas P a P a * * P a kn Untuk Teg (positif) = kn/m 2, pada serat bawah terjadi tegangan tarik maka dipasang presstress (Pb) pada bottom slab, dengan asumsi tegangan tarik pada serat bawah tidak terjadi (fbawah = 0), maka Pb sebesar : Gambar Distribusi tegangan akibat bottom slab prestressing f bawah 0 P b P b P b A kn P b P b * e b * I y b serat bawah * *

37 b. Penentuan perkiraan jumlah strand yang dibutuhkan. Untuk menentukan besar gaya prategang yang digunakan dalam perhitungan maka digunakan besaran tegangan baja prategang sebagai berikut : fpu = 1860 Mpa menurut ACI tegangan tarik ditendon prategang selama segera setelah pengangkeran tendon tidak boleh melebihi 0,7 fpu untuk tendon pascatarik. Besar gaya prategang initial untuk satu strand adalah sebesar : Pi = 0,7 * fpu * Astrand = 0,7 * 1860 MPa * 98,7 mm 2 =128,5 kn Jumlah strand yang dibutuhkan adalah : Pada deck slab : P a na strand P i Pada bottom slab : P b n b strand P i Tipe susunan kabel Dilakukan analisis formasi susunan kabel untuk tipe harp, fan dan semiharp dengan menggunakan data teknis yang sama sebagai berikut: - Dimensi pylon 12,5 m x 12,5 m dengan Inersia 2034,5 m 4. - Tebal dek sebesar 0,3 m dan tinggi dek 3,5 m. - Panjang bentang utama 760 m dan bentang tepi 380 m. 37

38 380 m 760 m 380 m 380 m 760 m 380 m 380 m 760 m 380 m (a) harp (b) fan (c) semiharp Gambar Tipe susunan kabel untuk pemodelan Pengaruh susunan kabel memberikan perilaku struktur jembatan cable stayed, yang antara lain : a) Urutan gaya aksial semakin besar untuk formasi kabel fan-semiharp-harp b) Urutan gaya geser pilar (V22) semakin kecil untuk formasi kabel fansemiharp-harp c) Urutan gaya geser pilar (V33) semakin besar untuk formasi kabel fansemiharp-harp d) Urutan momen lentur pilar (M22) semakin besar untuk formasi kabel fansemiharp-harp e) Urutan momen lentur pilar (M33) semakin besar untuk formasi kabel fansemiharp-harp f) Urutan tegangan pada dek atas (S11) semakin besar untuk formasi kabel fansemiharp-harp g) Urutan tegangan pada bawah atas (S11) semakin besar untuk formasi kabel fan-semiharp-harp Dari beberapa pertimbangan diatas maka dalam penelitian ini digunakan susunan kabel tipe semiharp karena kabel tipe ini selain menggunakan panjang kabel yang relatif lebih pendek juga gaya-gaya dalam yang terjadi di struktur tidak begitu besar. 38

39 Grafik gaya aksial pylon berbagai tipe cable Tinggi titik tinjauan (m) Tinggi titik tinjauan (m) Gaya aksial pylon HARP SEMI HARP FAN Gaya aksial (kn) Gambar Kurva gaya aksial pylon berbagai tipe susunan cable Grafik gaya geser 22 berbagai tipe cable HARP SEMI HARP FAN V22 V33 V22 V Gaya geser 22 (kn) Gambar Kurva gaya geser pylon arah 22 pada berbagai tipe susunan cable 39

40 Grafik gaya geser 33 pada berbagai tipe cable Tinggi titik tinjauan (m) Tinggi titik tinjauan (m) HARP SEMI HARP FAN V22 V33 V22 V Gaya geser 33 (kn) Gambar Kurva gaya geser pylon arah 33 pada berbagai tipe susunan cable Grafik momen 22 pylon pada berbagai tipe cable HARP SEMI HARP FAN M22 M33 M22 M Momen (knm) Gambar Kurva momen lentur pylon arah 22 pada berbagai tipe susunan cable 40

41 Grafik momen 33 berbagai tipe cable Tinggi titik tinjauan (m) HARP SEMI HARP FAN M22 M33 M22 M Momen 33 (knm) Gambar Kurva momen lentur pylon arah 33 pada berbagai tipe susunan cable Grafik tegangan serat atas dek berbagai tipe cable 175 m 40 m Tegangan (kn/m2) 375 m 10 m x m serat atas HARP SEMI HARP FAN Tegangan serat bawah Jarak titik tinjauan dari pylon Gambar Kurva tegangan dek atas pada berbagai tipe susunan cable 41

42 Grafik tegangan serat bawah dek berbagai tipe cable Tegangan (kn/m2) 175 m 40 m 375 m 10 m x m HARP SEMI HARP FAN serat atas Tegangan serat bawah Jarak titik tinjauan dari pylon Gambar Kurva tegangan dek bawah pada berbagai tipe susunan cable 42

43 lendutan max di deck (m) 5.3. Diameter kabel Berdasarkan gambar 5.22 diperoleh bahwa diameter kabel yang cocok untuk jembatan cable stayed ini adalah sebesar 0,25 m DATA LENDUTAN UNTUK TINGGI DEK 3,5 m diameter kabel (m) I1 (5 m x 5 m) I2 (8 m x 8 m) I3(11 m x 11 m) I4 (14 m x 14 m) kabel dek -7-8 Gambar Kurva hubungan lendutan dek, diameter kabel dan Inersia pylon 5.4. Dimensi Pylon Tipe dari pylon pada penelitian ini adalah tipe modifikasi berlian. Keuntungan dari tipe berlian ini karena bentuknya yang arsitektural sehingga menambah nilai estetika dari jembatan. 37

44 Gambar Penampang pylon Dimensi pylon yang digunakan adalah 12,5 m x 12,5 m ( I = 2034,5 m 4 ) dan material yang digunakan adalah beton fc = 25 MPa. Tinggi pylon merupakan fungsi dari panjang panel (Troitsky, 1977) yang dapat dilihat pada Gambar Dengan batas minimum sudut antara kabel dan dek sebesar 25 o maka persamaan tinggi pylon jembatan cable stayed dapat ditulis sebagai berikut: 0 H n.a.tan 25 dimana : n = jumlah kabel a = panjang panel jadi untuk n = 36 buah dan a = 10 m, maka berdasarkan rumus diatas diperoleh tinggi pylon sebesar : H 3610 tan m untuk cable stayed ini digunakan tinggi pylon sebesar 170 m. 38

45 Hubungan antara kemiringan kabel dan lendutan dek TOT lendutan kabel RECOMMENDED LIMITS sudut antara kabel dan dek ( O ) Gambar Kurva hubungan antara kemiringan kabel dan lendutan dek Hasil analisis struktur diperoleh gaya aksial tekan terbesar yang terjadi adalah akibat kombinasi beban ULS 2 yaitu sebesar kn, gaya geser maksimum arah 22 terjadi akibat kombinasi pembebanan ULS 1C sebesar 30353,5 kn, gaya geser arah 33 maksimum sebesar 88589,67 kn akibat kombinasi beban ULS 2, momen lentur arah 22 terbesar dialami pylon adalah akibat kombinasi pembebanan ULS 2 sebesar knm dan momen lentur arah 33 terbesar yang dialami pylon adalah akibat kombinasi beban ULS 1 sebesar Disini akan diberikan contoh hasil analisis pylon dimana gaya-gaya dalam yang maksimum yang terjadi adalah akibat kombinasi beban ULS 1B. Adapun hasil analisisnya adalah sebagai berikut : Untuk dimensi pylon 12.5 m x 12,5 m, luas tulangan vertikalnya adalah : 1.0 m 2 < As < 6.0 m 2 faktor pembesaran momen akibat efek kelangsingan pylon adalah : Lu (22) = Lu (33) = 46,744 m 46,744 m 39

46 I33 = 302,0833 m4 I22 = 33,3333 m4 Pu M22 = ,0 kn = ,0 knm M22(2) = ,0 knm M33 = ,0 knm M33(2) = ,0 knm Pembesaran momen arah longitudinal adalah : C m ( ) ( ) EI P e b b b (11) * M 33 1* knm Pembesaran momen arah transversal adalah : C m 1.0 EI (11) 9 P e

47 b b * M 1, knm dari hasil perhitungan tersebut maka momen dan gaya aksial yang akan digunakan untuk mendesain tulangan yang diperlukan dapat ditabelkan sebagai berikut : Tabel 5.1. Hasil perhitungan pembesaran momen pada pylon bawah Pu rencana ( kn ) M2 rencana ( knm ) M3 rencana ( knm ) Untuk perencanaan tulangan geser diperoleh hasil sebagai berikut : Vu = kn V c kn Beberapa peraturan dalam menentukan tulangan geser dan spasi minimum menurut SK SNI antara lain : (a). Batas spasi tulangan geser < d/2 atau 600 mm (b). Apabila Vs melebihi d d atau 300 mm 1 3 f ' b jarak spasi sengkang tidak boleh lebih dari ¼ c w. (c). Bahan-bahan dan tegangan maksimum Tulangan leleh geser fy < 400 MPa Vs 2 3 f ' b d c w. (d). Luas penampang tulangan minimum A 1 3 b s w v atau f y s maks 3Av f b w y 41

48 Dari hasil perhitungan sebelumnya diketahui bahwa gaya geser arah 33 maksimum adalah Titik tinjauan pada pylon sebesar 88589,67 kn sedangkan kemampuan pylon terhadap geser beton pada pylon adalah sebesar kn, sehingga tidak diperlukan adanya tulangan geser pada pylon. Grafik gaya aksial pada pylon dalam berbagai kombinasi pembebanan 250 Gaya aksial pylon kombinasi ULS 1A kombinasi ULS 1B 200 kombinasi ULS 1C 72 m Titik tinjauan pada pylon kombinasi ULS 1D kombinasi ULS 2 kombinasi ULS 4 kombinasi ULS m m 0-2.0E E E E E E+00 Gaya aksial (kn) Gambar 5.25 Grafik gaya aksial pylon dalam berbagai kondisi pembebanan Grafik gaya geser arah 22 pada pylon dalam berbagai kombinasi pembebanan m 150 kombinasi ULS 1A kombinasi ULS 1B m V33 V33 kombinasi ULS 1C V22 V22 kombinasi ULS 1D kombinasi ULS 2 50 kombinasi ULS 4 kombinasi ULS 5 45 m 0-4.0E E E E E E E+04 Gaya geser V2, (kn) Gambar 5.26 Grafik gaya geser arah 22 pada pylon dalam berbagai kondisi pembebanan 42

49 Grafik gaya geser arah 33 pada pylon dalam berbagai kombinasi pembebanan Titik tinjauan pada pylon m Titik tinjauan pada pylon kombinasi ULS 1A kombinasi ULS 1B kombinasi ULS 1C kombinasi ULS 1D m V22 V33 V22 V33 kombinasi ULS 2 kombinasi ULS 4 kombinasi ULS m 0-1.0E E E E E E E E E+04 Gaya Geser V3, (kn) Gambar 5.27 Grafik gaya geser arah 33 pada pylon dalam berbagai kondisi pembebanan Grafik momen lentur arah 22 pada pylon dalam berbagai kombinasi pembebanan m 150 kombinasi ULS 1A 100 kombinasi ULS 1B kombinasi ULS 1C 108 m M33 M33 kombinasi ULS 1D kombinasi ULS 2 M22 M22 50 kombinasi ULS 4 kombinasi ULS 5 45 m 0-1.5E E E E E E E E+06 Momen lentur M22, (knm) Gambar 5.28 Grafik momen lentur arah 22 pada pylon dalam berbagai kondisi pembebanan 43

50 Grafik momen lentur arah 33 pada pylon dalam berbagai kombinasi pembebanan 250 kombinasi ULS 1A 200 kombinasi ULS 1B kombinasi ULS 1C kombinasi ULS 1D 72 m Titik tinjauan pada pylon kombinasi ULS 2 kombinasi ULS 4 kombinasi ULS m M33 M33 M22 M m 0-2.0E E E E E E E+06 Momen lentur M33, (knm) Gambar 5.29 Grafik momen lentur arah 33 pada pylon dalam berbagai kondisi pembebanan 44

51 BAB 6 RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA Mengingat struktur jembatan cable stayed adalah struktur jembatan dengan teknologi yang terus berkembang maka kiranya ada beberapa hal yang perlu disampaikan berkaitan dengan rencana tahapan penelitian selanjutnya, diantaranya: 1) Penelitian mengenai elemen struktur kabel jembatan difokuskan pada penggunaan keragaman material 2) Penelitian mengenai pylon jembatan difokuskan pada keragaman bentuk pylonnya 3) Penelitian mengenai dek jembatan difokuskan pada bentuk box girder jembatan dan struktur prategangnya 4) Penelitian mengenai beban dinamik akibat beban gempa dilakukan dengan memperhatikan keragaman tanah keras 5) Penelitian mengenai struktur bawah jembatan dilakukan dengan menganalisis bentukbentuk struktur pondasi dan metoda pelaksanaannya 45

52 BAB 7 KESIMPULAN DAN SARAN 7.1. Kesimpulan 1) Gaya-gaya dalam yang timbul pada kabel semakin besar dengan urutan formasi kabel tipe fan-semiharf-harf. Panjang kabel semakin membesar pada formasi kabel tipe harfsemiharf-fan, sedangkan pekerjaan tipe fan memerlukan perletakan kabel pada pylon yang lebih rumit dari pada tipe semiharp. 2) Penggunaan formasi tipe semiharp merupakan pilihan utama pada jembatan cable stayed, karena masih lebih ekonomis. 3) Pada masa pelayanan tegangan serat atas dan bawah dek lebih besar daripada tegangan ijin dek, sehingga diperlukan adanya stressing dek selama tahap pelayanan. 4) Pada masa pelayanan, tegangan serat dek atas dan bawah mengalami perubahan arah tegangan dimana pada dek terjadi tegangan positif dan tegangan negatif, untuk menghindari retak pada dek akibat tegangan positif maka diperlukan stressing pada dek. 5) Gaya-gaya dalam maksimum yang terjadi pada pylon tidak tergantung pada satu jenis pembebanan, untuk momen lentur arah memanjang dek maksimum terjadi akibat beban yang diletakkan ditengah bentang jembatan cable stayed. 6) Tegangan yang terjadi pada kabel selama masa layan adalah sebesar 308,52 MPa dimana nilai ini lebih kecil dari tegangan ijin cable yaitu sebesar 0,75 * fpu (1395 Mpa) Saran 1) Menganalisis bentuk pylon yang beragam pada struktur jembatan cable stayed 2) Menganalisis beban dinamik akibat beban gempa pada struktur jembatan cable stayed dengan keragaman tanah keras 3) Menganalisis penggunaan material yang beragam pada struktur jembatan cable stayed 4) Menganalisis ragam bentuk box girder pada struktur jembatan cable stayed 5) Melakukan perancangan struktur bawah jembatan cable stayed 6) Melakukan perancangan struktur jembatan cable stayed dengan panjang jembatan yang beragam 46

53 DAFTAR PUSTAKA Departemen Pekerjaan Umum, (1992), Peraturan Perencanaan Teknik Jembatan, Jakarta Departemen Pekerjaan Umum, (2002), Tata Cara Perhitungan Struktur Beton untuk Bangunan Gedung, SNI , Jakarta Firmansyah, J. (2003), Tantangan Alam dan Tipe Struktur Jembatan Lintas Selat Sunda, Prosiding Semiloka Infrastruktur Lintas Selat Sunda, Institute Teknologi Bandung Karoumi R., Dynamic Response of Cable-Stayed Bridges Subjected to Moving Vehicles, IABSE 15th Congress, Denmark, pp , Karoumi R., Modeling of Cable Stayed Bridger For Analysis of Traffic Induced Vibrations, Kanok-Nukulchai W., Yiu P.K.A., Brotton D.M., Mathamatical Modelling of Cable-Stayed Bridges, Struct. Eng. Int., 2, pp , Naaman, A.E. (1982), Presstressed Concrete Analysis and Design, McGraw-Hill Nasution A., (2003), Spesifikasi, Tata Cara Perencanaan dan Pelaksanaan Konstruksi Sistem Struktur Jembatan dan Terowongan, Prosiding Semiloka Infrastruktur Lintas Selat Sunda, Institute Teknologi Bandung Nawy, E.G. (2000), Prestressed Concrete, Prentice-Hal Podolny, W., Scalzi, J.B.(1976), Construction and Design of Cable Stayed Bridges, John Wiley and Sons Troitsky, M.S.,(1977), Theory and Design Cable Stayed Bridges, Crosby Lockwood Staples, London Walther, R. (1988), Cable Stayed Bridges, Thomas Telford, London. Wangsadinata W., (2003), Beberapa Catatan Mengenai Penyeberangan Selat Sunda, Prosiding Semiloka Infrastruktur Lintas Selat Sunda, Institute Teknologi Bandung 47