Studi Konfigurasi Posisi Kabel Submerged Floating Tunnel

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) Studi Konfigurasi Posisi Kabel Submerged Floating Tunnel Indra Komara, Endah Wahyuni, ST., M.Sc., Ph.D Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya endah@ce.its.ac.id Abstrak - Submerged Floating Tunnel (SFT) atau Jembatan melayang dalam air adalah konsep baru dalam bidang konstruksi, konsep ini menggantikan pekerjaan pembuatan pilar dan pondasi dalam yang pada jembatan konvensional masih dibutuhkan. Sehingga diperlukan waktu yang lama dan material dalam jumlah yang besar. Gaya yang terjadi pada SFT sama dengan prinsip Archimides. Penampang SFT akan mendapat gaya uplift dari air yang lebih besar daripada berat sendiri Struktur. Oleh karena itu, pada SFT akan dipasang kabel baja untuk menahan struktur agar tetap kokoh. Sehingga struktur tidak mengalami pergoyangan berlebih akibat beban lingkungan. Berdasarkan hal tersebut diperlukan analisa lebih lanjut mengenai konfigurasi posisi kabel untuk menghasilkan struktur dengan kabel yang optimum. Kabel dimodelkan dengan berbagai konfigurasi yaitu dengan posisi sudut 54 0, 45 0, 36 0, 27 0, 18 0, 9 0 dan 0 0. Pemodelan dengan Finite Element Method (FEM) menggunakan SAP 2000 v menghasilkan konfigurasi kabel A sebagai kabel efektif. Pada kondisi ini, gaya aksial, tegangan dan defleksi yang dihasilkan lebih kecil. Kondisi kabel A ini digabungkan dengan parameter efektif lain yaitu kondisi perletakan Sendi-Sendi dan BWR 1,3. Kondisi struktur gabungan tersebut mendapatkan gaya yang memiliki prilaku sama dengan pemodelan elemen cables menggunakan initial tension tertentu menggunakan tipe gelombang non linier. Kenaikan gaya pada kabel sejalan dengan pemberian initial tension dan menghasilkan perbedaan gaya yang tidak signifikan. Besarnya gaya kabel dengan penambahan initial tension yaitu 26,1 kn, 93,32 kn dan 100 kn secara berurutan adalah 4933,993 kn, 5213,178 kn dan 5222,239 kn. Sehingga berdasarkan defleksi dan tegangan yang terjadi pada kabel dan badan tunnel pemberian initial tension diambil sesuai sfesifkasi kabel sebesar 26,1 kn dengan keluaran gaya terkecil. Kata Kunci SFT, Cables, Permodelan Struktur, Konfigurasi Posisi Kabel menggunakan gaya apung Archimedes sebagai daya dukungnya [1]. SFT atau Jembatan Archimides adalah sebuah konsep yang inovatif untuk melewati perairan, seperti jalan penghubung di pelabuhan, penghubung teluk atau danau. SFT pada dasarnya terdiri dari terowongan yang mengapung didalam air, menggambil keuntungan dari gaya buoyancy pada kedalaman yang tepat dan tetap sebelum mencapai dasar laut dengan cara sistem angkur yang sesuai, mencangkup penggunaan kabel-kabel atau tiang-tiang [2]. A. Keuntungan konstruksi SFT - Pemandangan (Konstruksi Tak Terlihat) - Konstruksi lebih pendek - Alternatif lain dibandingkan menggunakan ferry - Aksesibilitas atau pengembangan bangunan bawah tanah - Fabrikasi dilakukan di tempat lain - Mudah dipindahkan ataupun dihancurkan B. Sistem Struktur Sistem struktural SFT pada umumnya adalah menggunakan gaya apung pada badan penampang SFT untuk menahan beban vertikal baik berupa beban mati ataupun beban tambahan yang bekerja. Beban tambahan tersebut berupa beban lalu lintas, beban utilitas dan sebagainya. Dalam penelitian ini untuk mendapatkan konfigurasi posisi kabel yang efektif, SFT dianggap sebagai sistem morring karena pada sistem ini pengaruh kabel lebih besar dibandingkan pada sistem K I. PENDAHULUAN onstruksi infrastruktur di suatu daerah memiliki peranan yang penting dalam meningkatkan sumber daya, khususnya dalam konstruksi transportasi. Kepulauan Seribu adalah salah satu daerah di Jakarta yang tertinggal. Hal ini terjadi akibat minimnya intensitas transportasi yang terjadi karena fasilitas yang tidak mendukung. SFT adalah tipe konstruksi yang modern yang berpotensi diaplikasikan untuk infrastruktur transportasi. Konsep dari SFT adalah meletakkan sebuah struktur berbentuk tubular pada kedalaman tertentu dibawah permukaan air dengan Gambar. 1. Lokasi perencanaan prototype SFT pontoons selain itu sistem inilah yang akan di aplikasikan pada prototype di Indonesia [3].

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) C. Bentuk Penampang Bagian lintasan dari SFT ditandai memiliki efek pada prilaku hidrodinamik dan respon dari beberapa beban yang terjadi. Bagaimanapun, lintasan akan di putuskan berdasarkan dari penggunaanya, banyaknya jalur dan alur dari mobil atau kendaraan, ruang untuk pedestrians, macam tipe dari servis utilitas dan lainnya. SFT bisa berbentuk lingkaran atau kotak atau semua bentuk geometrical sebagai kasus penelitian. Parameter perencanaan prototype SFT sesuai API RP 2A-WSD 2000, dengan tipe gelombang yang terjadi unbreaking wave. Tipe ini dikategorikan karena memiliki kedalaman laut lebih besar daripada 1,5 kali tinggi gelombang yang terjadi. Berikut tinggi dan perioda gelombang signifikan yang dimodelan: Tabel 2. Konfigurasi pemodelan konfigurasi posisi kabel Tinggi gelombang maksimum (H) 5,08 m periode gelombang maksimum (T) 9,08 s Sumber : IHL-BPPT,2011 Gambar. 2. Penampang SFT yang sudah di teliti; (a) Tveit, (b) Mazzolani, (c) Long D. Bentuk Kabel Studi konfigurasi posisi kabel SFT ini menggunakan konfigurasi kabel efektif, yaitu konfiigurasi segitiga [3] berlandaskan pada penelitian Profesor Maeda, konfigurasi yang tepat digunakan pada SFT. Susunan kabel segitiga dicoba diberbagai sudut inklanasi kabel hingga menghasilkan nilai yang optimal dan kuat menahan badan tunnel akibat beban lingkungan dengan baik serta tidak membutuhkan biaya konstruksi yang besar. Gambar. 3. Bentuk Kabel yang telah diciptakan dan diuji (Maeda, 1994) Bathymetri didapat berdasarkan ketinggian laut berupa profil melintang laut. Dalam penentuan parameter perencanaan, hal tersebut sudah bisa dijadikan acuan untuk menentukan letak tunnel SFT berdasarkan kedalaman laut di lingkungan tersebut. Berikut merupakan profil melintang laut yang digunakan: Sumber : IHL-BPPT,2011 Gambar. 5. Bathymetri tempat prototype SFT direncanakan B. Perencanaan Permodelan menggunakan penampang badan tunnel berbentuk lingkaran dengan material baja. Desain struktural tunnel dibuat sesuai dengan persyaratan rasio berat total tunnel dengan gaya apung yang bekerja. Prototype ini didesain untuk digunakan oleh kendaraan ringan biasa atau kendaraan penumpang karena SFT di Kepulauan Seribu dibangun untuk meninjau kelayakan pembangunan SFT di Indonesia, sehingga bisa dikaji lebih lanjut untuk peruntukan yang lebih komplek. 1) Perencanaan diameter dan profil memanjang Perencanaan tebal diameter tunnel pada struktur disesuaikan dengan kondisi kendaraan yang direncanakan sebagai beban lalu lintas, yaitu 2.1 m dan tinggi bebas yang cukup, yaitu minimum 1.3 m. Ukuran kendaraan ringan yang digunakan sebagai acuan terdapat pada gambar dibawah ini: II. URAIAN PENELITIAN A. Persiapan Pemodelan dengan menyesuaikan parameter yang ada pada prototype. Berikut pemodelan yang dilakukan: No. Tabel 1. Konfigurasi pemodelan konfigurasi posisi kabel Parameter Hs Ts BWR SIK Kekangan Cm detik ND sudut ND 1 SIK A S-S B S-S E S-S D S-S F S-S G S-S Keterangan: SIK = Sudut ingklinasi kabel ; Hs = Tinggi Gelombang ; Ts = Perioda gelombang Sumber :UU Tentang Lalu Lintas dan Angkutan Jalan (pasal 12) Gambar. 6. Dimensi kendaraan ringan Gambar. 7. Tampak Memanjang SFT

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) ,64 4,5 Gambar. 8. Dimensi Prototype SFT 5 Perencanaan badan tunnel adalah 150 m dengan panjang bagian lurus 60 m dan tiap bagian miring 45 m serta Jarak kabel melintang 27 m. 2) Perencanaan Struktur sekunder - Tebal pelat lantai kendaraan 20 cm - Gelagar memanjang jalan WF 350x175x7x11 - Gelagar melintang jalan WF 450x200x9x14 3) Perencanaan Struktur Primer - Pengaku melingkar besar WF Pengaku melingkar kecil WF Pengaku memanjang WF Gambar. 9. Potongan rangka structural tunnel - Plat baja dengan tebal 2,5 cm C. Pemodelan Struktur-Konfigurasi Posisi Kabel Gambar. 10. Model SFT; (a) Tampak 3D, (b) Detail kabel, (c) Detail perletakan ujung tunnel Elemen shell pada SAP2000 tidak bisa menerima beban gelombang dinamis, untuk itu beban gelombang yang akan dimasukan secara manual (statis). Berikut data pembebanan yang dimasukan secara manual berdasarkan pengaruh kedalaman pada struktur. Tabel 3. Beban Akibat Arus dan Gelombang (statis) Group Posisi koordinat z (m) Jarak (m) F w/c Group 1 ((0,0000)-(-2,0177)) 2, ,878 kn/m 2 Group 2 ((-2,0177)-(-3,5934)) 1, ,308 kn/m 2 Group 3 ((-3,5934)-(-5,0000)) 1, ,462 kn/m 2 Group 4 ((-5,0000)-(-5,4775)) 0, ,513 kn/m 2 Group 5 ((-5,4775)-(-6,0305)) 0,553 48,092 kn/m 2 Group 6 ((-6,0305)-(-6,7275)) 0,697 36,226 kn/m 2 Group 7 ((-6,7275)-(-7,5000)) 0, ,777 kn/m 2 Group 8 ((-7,5000)-(-8,2725)) 0, ,488 kn/m 2 Group 9 ((-8,2725)-(-8,9695)) 0,697 31,323 kn/m 2 Group 10 ((-8,9695)-(-9,5225)) 0,553 37,766 kn/m 2 Group 11 ((-9,5225)-(-10,000)) 0, ,773 kn/m 2 SFT dimodelkan dengan kondisi perletakan sendisendi, variasi BWR 1,5 dan konfigurasi kabel yang dirubahrubah. Tipe konfigurasi posisi kabel yang dimodelkan pada masing-masing ujung tunnel seperti pada Gambar 11. Konfigurasi posisi kabel efektif didasarkan pada nilai terkecil pada gaya aksial kabel tiap kondisi, defleksi tunnel dan tegangan pada dinding tunnel. Kombinasi beban yang dimodelakan adalah: 1. D+H+W 2. D+H+W+L dimana: D = Beban Mati H = Beban Hidrostatis W = Beban Gelombang (wave) L = Beban Hidup (Lalu lintas) Setelah konfigurasi kabel efektif didapat, dimodelkan kembali permodelan struktur efektif dengan parameter kondisi perletakan Sendi-sendi [4] dan variasi BWR 1,3 [5] yang berdasarkan tinjauan efektif. Pemodelan efektif dilakukan untuk mendapatkan dukungan struktur dari ketiga parameter dengan baik. Pemodelan kabel menggunakan elemen frame dan elemen cables. Pemodelan dengan elemen cables diberikan besaran initial tension tertentu. Kondisi pemodelan tersebut dilakukan agar kondisi yang terjadi pada struktur mendekati dengan kondisi yang terjadi pada model uji. Berikut kondisi pemodelan struktur efektif yang dilakukan: Gambar. 11. Contoh penomoran kabel C berdasarkan konfigurasi jumlah dan posisi; (a) Posisi 1 (sisi kanan), (b) Posisi 2 (tengah), (c) Posisi 3 (sisi kiri) Tabel 4. Pemodelan struktur efektif dengan parameter elemen kabel yang dirubah Model 1 Model 2 Model 3 Model 4 Model 5 Model 6 Kabel dengan kondisi frame yang di realease, wave linier Cable dengan initial tension 26.1 kn, wave Linier Cable dengan initial tension 26.1 kn, wave Non Linier Cable dengan initial tension 90,32 kn, wave Non Linier Cable dengan initial tension 100 kn, wave Non Linier Cable dengan initial tension Maks, wave Non Linier

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) Tipe kabel yang digunakan adalah strand uncoated seven wire stress relived strand 270 ASTM-A 416 sejumlah 58 strand. III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Konfigurasi Posisi Kabel Efektif Konfigurasi posisi kabel efektif ditinjau berdasarkan nilai keluarannya, yaitu defleksi tunnel, gaya aksial kabel, dan tegangan dinding tunnel. 1) Defleksi Defleksi akibat kondisi maksimum yang terjadi dengan kombinasi pembebanan D+H+W+L. Sesuai grafik, didapat defleksi dengan nilai pada U1 yaitu berdasarkan kordinat sumbu x, U2 berdasarkan sumbu y dan U3 berdasarkan sumbu z. Defleksi terbesar disebabkan oleh U1 karena efek gelombang dan arus yang terjadi cukup besar untuk mempengaruhi struktur. Dari perbandingan tersebut didapat defleksi maksimal pada U1 sebesar 29,9 cm dengan konfigurasi posisi kabel G (sudut 0 0 ). Sehingga berdasarkan defleksi struktur, konfigurasi efektif terdapat pada konfigurasi sudut inklinasi kabel dengan sudut 54 0 yaitu pada konfigurasi A dengan nilai 5,39 cm. 2) Gaya Dan Tegangan Pada Struktur a. Gaya Aksial Kabel Konfigurasi posisi kabel Tabel 5. Gaya aksial kabel maksimum sesuai SIK Jarak Kabel (m) b. Tegangan maksimum tunnel Max Luas Diameter s sijin (N) Kabel (mm2) Kabel (mm) (N/mm2) (N/mm2) Kabel A-Sudut , OK Kabel B-Sudut OK Kabel C-Sudut , OK Kabel D-Sudut , OK Kabel E-Sudut , OK Kabel F-Sudut 9 0 9, OK Kabel G-Sudut 0 0 5, OK Gambar. 12. Defleksi akibat Kombinasi maksimum; (a) Sudut 54 0, (a) Sudut 45 0, (b) Sudut 36 0, (c) Sudut 27 0, (d) Sudut 18 0, (h) Sudut 9 0, (g) Sudut 0 0 Pengaruh dari beban kombinasi tersebut menyebabkan pergerakan yang mempengaruhi tunnel secara keseluruhan. Karena pergerakan struktur ditunjang oleh pergerakan kabel yang secara khusus mengikatnya. Dari gambar tersebut dapat diketahui pula deformasi pada masing-masing kondisi. Gambar 13. Deformasi struktur akibat pengaruh kabel Gambar. 14. Tegangan maksimum tunnel sesuai parameter S11 (Sx), S12 (Sy) dan S22 (Sxy) Tegangan efektif terjadi pada konfigurasi posisi kabel A dengan memiliki nilai yang relatif lebih kecil dibandingkan dengan konfigurasi lainnya. Hal tersebut ditinjau berdasarkan S11 (Sx), S22 (Sy) dan S12 (Sxy) yang menunjukan prilaku sama. Tegangan pada badan tunnel memiliki kenaikan apabila kondisi sudut inklinasi kabel dirubah, sehingga pemposisian sudut kabel pada kontruksi SFT sangat berpengaruh. Berdasarkan Gambar 13, Tabel 5 dan Gambar 14 konfigurasi posisi kabel efektif terdapat pada kabel A dengan sudut 54 0 dengan keluaran gaya kabel, defleksi dan tegangan badan tunnel terkecil. B. Struktur Efektif Struktur efektif adalah gabungan dari berbagai tinjauan berdasarkan tiga parameter efektif yaitu konfigurasi posisi kabel, kondisi perletakan [4] dan variasi BWR [5]. Berikut keluaran kondisi berbagai parameter:

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) Tabel 6. Kondisi konfigurasi posisi kabel A PARAMETER KABEL Tegangan (Mpa) Tegangan ijin (Mpa) Tegangan Kabel A OK Dengan Perletakan S-S Dengan BWR 1,5 Tegangan Tunnel S S S OK Tabel 7. Kondisi perletakan Sendi-sendi PARAMETER PERLETAKAN Tegangan (Mpa) Tegangan ijin (Mpa) Gambar. 17. SFT efektif elemen cable, initial tension maksimum & beban gelombang nonlinier Kabel C OK Dengan Perletakan S-S Dengan BWR Tegangan Tunnel 1,5 S S S OK Tabel 8. Kondisi BWR 1,3 PARAMETER BWR Tegangan (Mpa) Tegangan ijin (Mpa) Kabel C OK Dengan Perletakan S-S Dengan BWR Tegangan Tunnel 1,3 S S S OK Gambar. 18. SFT efektif elemen cable, initial tension 26.1 kn (sesuai sfesifikasi kabel) & beban gelombang non linier Berikut analisa pemodelan efektif yang dibuat, untuk melihat prilaku yang terjadi pada struktur dengan parameter elemen kabelnya. Tabel 9. Kondisi gaya aksial kabel dengan berbagai kemungkinan Model Struktur Efektif Max Luas Diameter s sijin (N) Kabel (mm2) Kabel (mm) (N/mm2) (N/mm2) Model OK Model OK Model OK Model OK Model OK Model Not OK Tabel 10. Defleksi maksimum struktur efektif Gambar. 15. SFT efektif dengan elemen frame beban gelombang linier Model Struktur Efektif Defleksi (cm) U1 U2 U3 Model Model Model Model Model Model Gambar. 16. SFT efektif elemen cable, initial tension 26.1 kn (sesuai sfesifikasi kabel) & beban gelombang linier Berdasarkan tabel-tabel diatas, didapatkan kondisi yang dianggap memiliki trend yang baik dengan mempertimbangkan parameter efektif. Kondisi elemen cable dengan diberikan initial tension memiliki kenaikan nilai yang tidak terlalu berbeda. Penambahan initial tension dilakukan dengan cara coba-coba untuk melihat parameter trend gaya pada kabel berlandaskan pada sfesifikasi kabel dan kondisi maksimum pada saat diberikan initial tension sesuai SAP Gaya

6 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) kabel hasil analisa numerik sesuai Tabel 9. Defleksi yang terjadi sebesar 41,496 cm dengan kondisi tegangan badan tunnel sesuai tabel dibawah. Tabel 11. Tegangan tunnel maksimum struktur efektif Model Elemen Tegangan Tegangan ijin Struktur Efektif Stresses (Mpa) (Mpa) Model 1 Model 2 Model 3 Model 4 Model 5 Model 6 S11 (Sx) S22 (Sy) S12 (Sxy) OK S11 (Sx) TIDAK S22 (Sy) S12 (Sxy) OK S11 (Sx) S22 (Sy) S12 (Sxy) OK S11 (Sx) S22 (Sy) S12 (Sxy) OK S11 (Sx) S22 (Sy) S12 (Sxy) OK S11 (Sx) TIDAK S22 (Sy) S12 (Sxy) OK Kondisi tegangan yang menunjukan prilaku sama dengan meninjau tegangan terkecil yaitu pada model 3 dengan tegangan S11 (Sx) sebesar 338,274 kn, S22 (Sy) sebesar 120,032 kn dan S12 (Sxy) sebesar 106,97 kn. Berdasarkan parameter kabel, pemberian initial tension pada kabel serta penetuan tipe gelombang akan menunjukan pemodelan yang baik dengan keluaran gaya yang memiliki kenaikan tidak terlalu signifikan. Keluaran gaya tersebut menghasilkan prilaku serupa dengan kondsi cable yang diberikan initial tension 26,1 kn serta tipe gelombang non linier yaitu menghsilkan keluaran gaya terkecil sebesar 4933,993 kn. Sehingga, dengan pemberian initial tension yang menyesuaikan sfesifikasi kabel saja sudah memenuhi dengan meninjau trend yang terjadi dan tidak perlu diberikan initial tension tambahan. aksial terkecil sebesar 4933,993 kn dengan nilai tegangan sebesar 607,635 kn. 2) Saran Saran dan gagasan yang dapat diambil dan dikembangkan berdasarkan studi ini adalah sebagai berikut: a. Pemodelan dinamis pada SAP 2000 lebih dianjurkan untuk mengetahui perbedaan analisa arus dan gelombang. b. Parameter pemodelan yang dibuat dapat meninjau efek struktur terhadap kondisi perairan lain dengan kondisi gelombang dan arus yang berbeda. c. Perlu dilakukan studi mengenai metode konstruksi disertai dengan analisa biaya, sehingga diketahui nilai ekonomi struktur. DAFTAR PUSTAKA [1] Mazzolani, F.M., Faggiano, B., Esposto, M., Martire, G A new challenge for strait crossing: the emmersed cable supporting bridge. NSCC2009. hal [2] M. Di Pelato, F. Perotti, P. Fogazzi D Dynamic Response of Submerged Floating Tunnels Under Seismic and Hydrodynamic Excitation. Milan: Department of Structural Engineering, Politecnico di Milano. [3] Sipata, Fandi Studi Konfigurasi Kabel Submerged Floating Tunnel. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh Nopember. [4] Wahyudi, Agus Studi Permodelan Perletakan Ujung (Shore Connections) Pada Submerged Floating Tunnel (SFT). Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh Nopember. [5] Mardi, Agus Studi Variasi Buoyancy Weight Ratio (BWR) Pada Struktur Submerged Floating Tunnel (SFT). Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh Nopember. IV. KESIMPULAN/RINGKASAN 1) Kesimpulan Kesimpulan dari studi ini diambil berdasarkan konfigurasi posisi kabel dan berdasarkan dari pemodelan efektif struktur gabungan dari analisa konfigurasi posisi kabel, kondisi perletakan dan variasi BWR. Berikut kesimpulan yang didapat: a. Tegangan, gaya dan defleksi SFT akan semakin kecil apabila sudut inklinasi kabel semakin besar. Kondisi tersebut terdapat pada konfigurasi posisi kabel A dengan sudut b. Pemodelan struktur efektif yaitu konfigurasi posisi kabel dengan sudut 54 0, perletakan S-S dan BWR 1,3. c. Pemodelan dengan elemen cable menggunakan initial 26,1 kn dan tipe gelombang non linier memberikan gaya