STUDI PENGGUNAAN LINK SLAB PADA JEMBATAN KOMPOSIT

Transkripsi

1 STUDI PENGGUNAAN LINK SLAB PADA JEMBATAN KOMPOSIT 1 Hidajat Sugihardjo, 2 Bambang Piscesa, 3 Ferindra Irawan 1 Staf Pengajar Jurusan Teknik Sipil FTSP - ITS, Kampus ITS Sukolilo Surabaya, hidajat_sugihardjo@yahoo.com, hidayat@ce.its.ac.id 2 Staf Pengajar Jurusan Teknik Sipil FTSP - ITS, Kampus ITS Sukolilo Surabaya, piscesa@ce.its.ac.id 3 Alumni Jurusan Teknik Sipil FTSP - ITS, Kampus ITS Sukolilo Surabaya. ABSTRACT Most of bridge structures in Indonesia are built with simple supported system in which the constructions between deck and abutment as well as among decks are separated by gaps. Those gaps are commonly covered with structure called expansion joint. The existence of expansion joints are consequently causing some following structural problems including corrosion on both steel girder and girder bearings due to the rain water, inconvenience to drivers or riders, excessive maintenance cost and less service life time. Within this study, the gaps are connected with the continuous deck structures by using link slab. Additionally, this study is applied to the composite bridge with the various spans including 12m, 16m, 20m, 25m, and 30m based on upper structure composite bridge codes of Directorate of Program, Directorate General of Highways, Ministry of Public Work Republic of Indonesia. In this research, three methods is used including analytical method of link slab, beam element model, and solid element model. The results of this study show that the length of debonding zone is approximately ranging between 5.5 and 14.5 percent of the beam span. Moreover, for each type of beam, it is found that shorter debonding zone produce greater stress in link slab s reinforcement. Meanwhile, longer span length produce shorter debonding zone. Additionally, in terms of the utilization of link slab structure in composite bridge, these following recommendations are proposed; firstly, the detail design of length of debonding zone, link slab thickness and optimum number of reinforcement in order to meet required cracking moment is need to be carried out cautiously, secondly, the number of stud connector at the transition zone between link slab and deck is need to be designed accurately. Keyword: composite bridge, expansion joint, link slab, deck. ABSTRAK Jembatan di Indonesia umumnya menggunakan sistem perletakan sederhana yang berarti struktur antara lantai kendaraan dengan abutmen atau antar lantai kendaraan terpisah dengan siar. Siar-siar tersebut biasanya ditutup dengan menggunakan konstruksi yang dinamakan expansion joint. Dengan adanya expansion joint tersebut muncul beberapa permasalahan yaitu menimbulkan korosi pada balok baja dan perletakannya akibat air hujan, mengurangi kenyamanan pemakai jembatan, biaya yang tinggi dalam perawatan serta berkurangnya umur jembatan. Dalam studi ini, siar yang ada dihubungkan dengan konstruksi lantai menerus menggunakan link slab. Studi dilakukan pada jembatan komposit dengan bentang 12,16, 20, 25 dan 30 m menggunakan Standar Bangunan Atas Jembatan Komposit dari Direktorat Bina Program Jalan, Direktorat Jenderal Bina Marga, Kementerian Pekerjaan

2 Umum Republik Indonesia. Tiga metode digunakan dalam penelitian ini adalah dengan memodelkan link slab secara analitik, model elemen balok dan model elemen solid. Hasil studi ini menunjukkan panjang zona nirlekat berkisar antara (5,5-14,5)% dari bentang balok. Untuk setiap tipe balok, makin pendek zona nirlekat, makin besar tegangan tulangan pada link slab dan semakin panjang bentang jembatan semakin kecil panjang zona nir lekatnya. Hasil lain sehubungan penggunaan konstruksi link slab pada jembatan komposit ini adalah berupa rekomendasi detail desain yaitu panjang zona nirlekat, tebal link slab, penulangan yang optimum agar memenuhi momen retak yang disyaratkan dan jumlah stud connector yang diperlukan pada daerah transisi antara link slab dan lantai kendaraan. Kata kunci : jembatan komposit, expansion joint, link slab, lantai kendaraan, 1. PENDAHULUAN Jembatan merupakan bagian dari jalan yang sangat penting fungsinya terutama sebagai infrastruktur untuk menunjang pembangunan baik itu dalam bidang ekonomi, sosial, budaya maupun lingkungan. Sebagian besar dari struktur jembatan yang ada di Indonesia, terutama pada jalan-jalan provinsi merupakan jembatan yang terbuat dari material beton, beton atau komposit baja dan beton. Selain itu sistem strukturnya juga merupakan sistem struktur yang terletak di atas dua perletakan atau perletakan sederhana yang dihubungkan dengan expansion joint. Permasalahan yang muncul pada jembatan yang mempunyai lebih dari satu bentang yang menggunakan expansion joint adalah seiiring berjalannya waktu maka expansion joint tersebut akan mengalami kelelahan dan penurunan kekuatan yang berakhir dengan terjadinya retak seperti pada Gambar 1a, Lepech [2005]. Pada saat terjadi retak maka akan terbentuk celah kecil yang akan mengakibatkan air hujan masuk kedalam celah tersebut. Hal ini akan mengakibatkan korosi pada balok dan perletakan jembatan seperti pada Gambar 1b dan c, Qian [2009]. Gambar 1c menunjukkan keadaan yang lembab dicelah menyebabkan tumbuhnya tanaman ataupun lumut yang dapat merusak material beton atau baja yang ada, Yugiantoro [2007]. a b d c Gambar 1. (a) Deteriorasi pada lantai kendaraan jembatan, (b) Kondisi perletakan girder akibat rusaknya expansion joint (c) Kondisi penulangan ujung girder akibat rusaknya expansion joint, (d) Tanaman dan lumut yang tumbuh di pilar akibat intrusi air hujan

3 Permasalahan yang ada ini akan memberikan ketidaknyamanan bagi para pengguna jalan dan dapat mengakibatkan kegagalan struktur bila dibiarkan terjadi korosi secara terus menerus. Untuk menyelesaikan masalah tersebut maka penggunaan link slab dapat menjadi suatu alternatif penyelesaian masalah yang timbul sebagai akibat adanya kerusakan pada expansion joint. Pada penelitian sebelumnya, sudah dilakukan studi tentang link slab sebagai pengganti dari expansion joint, dimana dalam studi tersebut dikhususkan untuk jembatan pratekan, Sugihardjo [2009]. Dalam studi ini dikaji penggunaan link slab pada jembatan komposit dimana variasi bentang yang digunakan adalah 12, 16, 20, 25 dan 30 meter, Irawan [2010], dan sebagian bentang yang digunakan diambil dari Direktorat [1993]. Desain konvensional pada link slab jembatan komposit menimbulkan daerah paling lemah pada interface antara link slab dan lantai kendaraan. Pada zona transisi ini, diperlukan tambahan shear connector, dimana dalam studi ini didesain berdasarkan penelitian Qian [2009]. Pedoman yang digunakan dalam penelitian ini adalah SNI T , RSNI [2005], dimana sudah terjadi peningkatan beban hidup dan beban truk. 2. METODOLOGI 2.1 Konstruksi Link Slab Model dari link slab pada konstruksi jembatan bisa dilihat pada beberapa model jembatan di Negara-negara lain dan juga di Indonesia, misal Jembatan Janti di Yogyakarta. Bentuk skematis yang sering digunakan di Australia dapat dilihat di Connal [2006]. Model ini memiliki karakteristik yang unik, dimana panjang debonding layer pada jembatan melewati keseluruhan perletakan. Hal ini ditujukan untuk mengurangi kekakuan dari balok jembatan sehingga energi yang diserap oleh link slab menjadi kecil. Bentuk skematik dari link slab pada jembatan komposit baja dan beton yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 2, merupakan studi dari Qian [2009]. Gambar 2. Skematik konsep desain link slab pada pilar tengah jembatan komposit, Qian [2009] 2.2 Analisis Link Slab Menggunakan Metode Klasik Dalam studi ini link slab akan dikaji dengan menggunakan dua metode yaitu metode klasik atau analitik dan metode numerik. Metode klasik yang diperkenalkan oleh Caner [1998] digunakan dalam studi ini. Model analitis yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 3. Link Slab didesain sedemikian rupa sehingga mampu memikul momen akibat adanya rotasi yang terjadi pada balok yang tertumpu diatas dua

4 perletakan akibat beban hidup dengan memperhitungkan faktor kejut dan beban mati tambahan. Gambar 3. Skema dua balok tertumpu diatas dua perletakan dengan link slab dan beban terpusat. (a) Rotasi pada balok, (b) Distribusi momen dan deformasi pada link slab. Akibat beban hidup dan beban mati tambahan, besarnya rotasi pada ujung balok,, bisa dihitung dengan Persamaan (1) sebagai berikut: PL 2 3 sp sp (1) 16. Ec. I sp q. L 24. Ec. I sp Dimana : P L sp E c I sp q = Beban garis / pisau (KEL) = Panjang bentang jembatan = Modulus elastisitas beton = Momen inersia sekunder dari girder (termasuk slab) = Beban terbagi rata (UDL) termasuk beban mati tambahan Dengan menggunakan azas kontinyuitas, dimana rotasi pada titik balik momen lentur pada link slab antara kiri dan kanan harus sama atau besarnya sama dengan Persamaan (1). Kapasitas momen lentur yang disediakan oleh penampang link slab harus cukup kuat menahan rotasi yang ada. Dengan menggunakan metode energi, momen lentur M a pada link slab yang tidak retak dapat dihitung dengan Persamaan (2) sebagai berikut : M a 2EcIls, g (2) L dz Dimana : I ls,g L dz = Momen inersia sekunder dari link slab (tidak retak) = Panjang zona nirlekat

5 Tegangan yang terjadi pada penulangan link slab, s, juga diperhitungkan terhadap momen retak, rasio penulangan dan kedalaman dari zona tekan beton yang tidak retak yang dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan (3). Besarnya tegangan yang diijinkan dibatasi hingga 40 persen terhadap tegangan leleh, y, sehingga besarnya tegangan yang bekerja adalah : 2 EcIls, g L 1 As d kd 3 dz s y 2 n n k n 2 (3) Dimana : A s = Luas tulangan tarik d = Panjang lengan momen dari penampang (jarak antara gaya tarik pada baja dan blok tegangan tekan beton). k = Koefisien blok tekan penampang beton n = Rasio modulus elastisitas baja terhadap beton = Rasio penulangan 2.3 Perilaku link slab pada zona transisi Pada zona transisi antara link slab dan pelat lantai kendaraan, yang panjangnya lebih kurang 2,5% dari dua kali bentang balok, dapat terjadi konsentrasi tegangan yang menyebabkan terjadinya retak pada beton. Untuk mengatasi masalah ini, Qian [2009] menambahkan shear connector pada zona transisi untuk mentransfer gaya aksial total yang terjadi pada link slab. Jumlah konektor yang diperlukan searah panjang balok, N, dapat dihitung dengan Persamaan (4). lswsts N N N Q s r n (4) Dimana : σ ls = tegangan pada link slab (berdasarkan regangan maksimum material) w s= lebar link slab = lebar jembatan t s = tebal link slab N g = jumlah balok utama pada jembatan N r = jumlah konektor per baris Q n = kekuatan satu konektor 2.4 Analisis Link Slab Menggunakan Model Numerik Analisis link slab dengan model elemen hingga selain menggunakan model balok juga menggunakan elemen solid tiga dimensi untuk analisis akibat temperatur, SAP2000 [2009]. Bentuk pemodelan elemen solid pada struktur jembatan komposit dapat dilihat pada Gambar 4 dan detail pemodelan link slab seperti pada Gambar 5. Pemodelan tersebut terdiri dari dua balok girder komposit yang tertumpu pada dua tumpuan sederhana, expansion joint yang ada diganti dengan link slab. Perletakan diidealkan sebagai sendi dan rol, karena dari hasil studi, asumsi ini memberikan respon yang maksimum.

6 Gambar 4. Pemodelan struktur jembatan komposit dengan metode elemen hingga Gambar 5. Pemodelan link slab dengan metode elemen hingga 2.5 Material Link Slab Pengunaan material link slab seperti yang telah dibahas pada penelitian sebelumnya, Sugihardjo [2009] bahwa material yang digunakan tersebut harus memiliki kekuatan tekan dan kekuatan tarik yang spesifik akibat retak lentur yang terjadi pada zona nirlekat. Salah satu material yang cukup baik untuk link slab adalah beton Engineering Cementitious Composite (ECC), yaitu high-performance fiber concrete yang memiliki kapasitas tarik hingga 350 kali dari kekuatan tarik beton normal dan lebar retak lebih kecil dari 100 m, Kim [2004] 3. SKEMA PEMBEBANAN 3.1 Data-Data Pembebanan Dalam penelitian ini, beban yang dberikan mengacu kepada SNI yang terbaru. Perbedaan yang ada antara BMS dan SNI T dapat dilihat sebagai berikut : Desain beban truk yang sebelumnya T = 450 kn diganti dengan 500 kn. Desain beban roda truk yang sebelumnya 100 kn diganti dengan 112,5 kn. Desain beban terbagi rata (UDL) yang sebelumnya q = 8 kpa diganti dengan 9 kpa. Desain beban garis / pisau (KEL) yang sebelumnya p = 44 kn/m diganti dengan 49 kn/m.

7 3.2 Kombinasi Pembebanan Untuk mendapatkan respon yang maksimum dari struktur jembatan, maka beberapa skema pembebanan dilakukan sedemikian rupa seperti pada Gambar 6. Untuk analisis perbedaan suhu antara diatas dan dibawah lantai kendaraan, pada model balok diberikan regangan akibat rangkak sebesar 0, dan regangan akibat susut sebesar -0,00036 yang bekerja hanya pada link slab. Gaya rem bekerja pada ketinggian 1,8 meter dari permukaan link slab dan perbedaan temperatur antara permukaan atas dan bagian bawah slab berturut-turut adalah 40 o C dan 15 o C, BMS [1992]. Untuk semua skema pembebanan, Gambar 6a sampai 6f, analisis menggunakan elemen balok, kecuali untuk pembebanan temperatur menggunakan elemen solid seperti ditunjukkan pada Gambar 6g. (a) Beban hidup pada dua bentang (b) Beban hidup pada satu bentang (c) Beban susut dan rangkak (d) Beban rem pada link slab (e) Bebam mati tambahan (aspal) (f) Beban truk pada link slab (g) Beban perbedaan suhu (elemen solid) Gambar 6. Skema pembebanan pada struktur jembatan

8 4. HASIL PENELITIAN DAN DISKUSI HASIL Hasil kajian untuk tiap bentang jembatan komposit, Lsp, didapatkan demensi profil WF dari baja Bj 41, seperti pada Tabel 1. Demensi balok baja hasil desain lebih besar dari standar Direktorat [1993]. Hal ini bisa disebabkan oleh dua sebab yaitu untuk memenuhi persyaratan rotasi maksimum dan karena digunakannya standar beban yang baru. Dengan tebal link slab sebesar 200 mm yang mengikuti ukuran minimum untuk tebal lantai kendaraan dan lebar 1200 mm, didapatkan besarnya rotasi maksimum pada link slab sebesar 0, Rotasi ini memenuhi syarat maksimum, yaitu sebesar 0,00375, Qian [2009]. Rasio tulangan dengan f y=390 MPa didapatkan sebesar 2,6 % atau D Dengan mutu beton f c = 35 MPa, didapatkan panjang zona nirlekat (Ldz) optimum untuk setiap balok, dimana tegangan tulangan mendekati 0,4 y. Panjang link slab didapatkan (5,5-14,5)%, dimana terlihat semakin panjang jembatan, semakin pendek panjang zona nirlekatnya. Pemasangan link slab diusahakan seminimum mungkin sehingga pekerjaan penggantian expansion joint dengan link slab sesedikit mungkin. Tabel 1 Hasil analisis link slab, Irawan [2010] Lsp (m) (1) Penampang balok WF (2) (rad) (3) Ldz/ Lsp (%) (4) s/ 0.4y (%) (5) Penulangan (6) x400x21x21 0, ,5 99,27 D x400x30x50 0, ,5 96,76 D x300x15x23 0, ,5 97,09 D x400x24x38 0, ,0 98,84 D x500x20x35 0, ,5 96,74 D Besarnya rotasi pada link slab nilainya sama dengan rotasi yang terjadi pada gelagar utama. Untuk setiap bentang balok, semakin pendek zona nirlekat maka semakin besar tegangan pada tulangan, seperti terlihat pada Gambar 7. Dengan demikian besarnya tegangan pada tulangan merupakan fungsi dari rasio tulangan untuk panjang zona nirlekat dan rotasi link slab tertentu, seperti terlihat pada Gambar 8. Pada Gambar 8 ini terlihat untuk semua bentang balok, besarnya rasio tulangan berkisar 2,6% untuk mengoptimumkan tulangan mencapai 0,4σ y. Gambar 7. Panjang zona nirlekat vs tegangan tulangan, Irawan [2010]

9 Gambar 8. Rasio tulangan vs tegangan tulangan, Irawan [2010] Berdasarkan Persamaan (4), kebutuhan stud connector dengan diameter 19 mm, tinggi 100 mm, yang dipasang pada zona transisi per baris tiga buah, untuk masingmasing bentang balok dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2 Kebutuhan tambahan stud connector pada zona transisi Bentang balok Lsp (m) Tinggi balok H (mm) Panjang zona transisi (mm) Jumlah total (buah) Jarak memanjang (mm) x x x x x9 170 Kombinasi tegangan yang terjadi pada titik 1, 2 dan 3 pada Gambar 5 dan akibat beban hidup, beban mati tambahan dan perbedaan temperatur pada Gambar 6 dapat dilihat pada Tabel 3. Dari Tabel 3 tersebut dapat dilihat pada semua titik nodal 1, 2, 3, tegangan yang bekerja masih dibawah tegangan tekan dari beton, dimana besarnya tegangan ijin sementara boleh diambil lebih besar 25 % dari tegangan ijinnya atau 1,25 (0,45 f c) = 19,68 MPa. Nilai ini tentu dapat lebih besar jika luas tulangan dalam link slab diperhitungkan dalam pemodelan numerik. Tabel 3 Tegangan yang bekerja pada link slab akibat beban hidup, beban mati tambahan dan perbedaan temperatur (MPa) Titik Bentang jembatan, L sp (m) Dari studi ini bentuk dan penulangan dari link slab disarankan seperti pada Gambar 9a dan Gambar 9b. Tulangan positip pada link slab diperlukan untuk beban hidup yang bekerja diatas link slab saja. Untuk detail sambungan pada interface pelat lantai kendaraan disarankan seperti Gambar 9c dengan menambahkan stud connector pada

10 daerah peralihan antara pelat lantai kendaraan dengan link slab dengan panjang 2,5% dari panjang dua bentang jembatan seperti diisyaratkan, Qian [2009]. Gambar 9. (a) Detail penulangan link slab arah memanjang, (b) Detail penulangan link slab arah melintang, (c) Detail stud connector pada zona transisi link slab. 5. KESIMPULAN Dari hasil studi link slab pada jembatan komposit ini dapat diambil beberapa kesimpulan yaitu : Besarnya panjang zona nirlekat berkisar antara (5,5-14,5)% bentang balok dan rasio tulangan utama yang diperoleh kurang lebih 2,6 %. Untuk semua tipe balok semakin pendek zona nirlekat, semakin besar tegangan pada tulangan dan semakin panjang bentang jembatan semakin kecil panjang zona nirlekatnya

11 Standar jembatan gelagar komposit Departemen Pekerjaan Umum yang digunakan sebagai acuan ukuran profil ternyata tidak memenuhi syarat rotasi maksimum untuk pemasangan link slab sehingga profil gelagar harus diperbesar. Hal ini perlu diperhatikan pada pekerjaan penggantian expansion joint dengan link slab, apalagi kalau jembatan dituntut memenuhi beban dengan standar beban baru. REFERENSI BMS Bridge Management Systems. Jakarta: Departemen Pekerjaan Umum. Caner, A and P. Zia PCI Journal May-June. Behavior and design of link slab for jointless bridge decks: Connal, J Integral Abutment Bridges Australian and US Practice. Maunsell Australia Pty Ltd Direktorat Bina Program Jalan Standar Jembatan Komposit. Jakarta: Departemen Pekerjaan Umum Irawan, F Studi Penggunaan, Perbaikan dan Metode Sambungan untuk Jembatan Komposit Menggunakan Link Slab. Surabaya: Tugas Akhir, Jurusan Teknik Sipil ITS. Kim, Y., G. Fischer and V.C Li ACI Structural Journal. Performanced of bridge deck link slabs designed with ductile engineered cementitious composite, V.101, No.6. November-December 2004: Lepech, M and V.C Li The 3 rd International Conference on Construction Materials. Design and Field Demonstration of ECC Link Slab for Jointless Bridge Decks CONMAT 05. Qian, S., D. Michael, Y. Lepech, Y. Kim, and V.C Li ACI Structural Journal. Introduction of Transition Zone Design for Bridge Deck Link Slabs Using Ductile Concrete, l, V. 106, No. 1, January-February 2009: RSNI Draf Standar Nasional Indonesia T Jakarta: Departemen Pekerjaan Umum. SAP Structural Analysis Program, version 14.1, Berkeley : Computers and Structures, Inc. Yugiantoro, H dan H. Vaza Konstruksi Lantai Kendaraan Menerus pada Jembatan Balok di Atas Dua Tumpuan. Jakarta: Direktorat Bina Program Jalan, Direktorat Jenderal Bina Marga. Sugihardjo, H and Supani st International on rehabilitation and Maintenance in Civil Engineering (ICRMCE), Solo. Introduction of Repairing and Joining Methods for Simply-Supported Prestressed Bridges Using Link Slab: