DESAIN JEMBATAN DENGAN MENGGUNAKAN PROFIL SINGLE TWIN CELLULAR BOX GIRDER PRESTRESS TUGAS AKHIR Diajukan untuk melengkapi tugas tugas dan memenuhi Syarat untuk menempuh ujian sarjana Teknik Sipil Disusun Oleh : RAMOT DAVID SIALLAGAN 07 0404 094 BIDANG STUDI STRUKTUR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013
ABSTRAK Gelagar jembatan berfungsi untuk menahan beban yang dipikul oleh lantai jembatan untuk kemudian ditransfer kepada pondasi jembatan. Salah satu jenis gelagar jembatan berupa gelagar box dengan menggunakan sistem prategang. Dalam tugas akhir ini akan direncanakan profil box yang akan diaplikasikan pada bentang 120 m dengan lebar 9 m. Tujuan dari tugas akhir ini adalah untuk membandingkan efisiensi dari profil Single Twin Cellular Box Girder dengan profil Single Trapezoidal Box Girder dimana kedua profil menggunakan volume beton yang identik dan pembebanan yang sama. Perencanaan kedua profil box ini berdasar pada peraturan-peraturan Standar Nasional Indonesia (SNI) yang berlaku. Akhir dari tugas akhir ini akan diperoleh hasil bahwa profil Single Twin Cellular Box Girder menggunakan 480 strands sedangkan profil Single Trapezoidal Box Girder menggunakan 496 buah strands. Untuk perbandingan kehilangan gaya prategang, profil twin box mengalami kehilangan gaya prategang sebesar 22,124% sedangkan profil single box mengalami kehilangan gaya prategang sebesar 24,624% dari gaya prategang awal. Sedangkan untuk penulangan, profil single box menggunakan lebih banyak tulangan 34,89 % daripada profil single box. Kata kunci : Jembatan, Prestress, Single Twin Cellular Box, Single Trapezoidal Box Girder.
KATA PENGANTAR Puji syukur dipanjatkan kepada Tuhan Maha Pencipta atas segala hikmat dan pertolongan-nya sehingga penulisan Tugas Akhir ini dapat diselesaikan dengan baik. Tugas Akhir ini diajukan sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan sarjana S1 pada Bidang Studi Struktur Jurusan Sipil Fakultas Teknik,, Medan. Adapun judul Tugas Akhir ini adalah Desain Jembatan Dengan Menggunakan Profil Single Twin Cellular Box Girder Prestress. Penulis menyadari bahwa penulisan Tugas akhir ini tidak lepas dari pertolongan banyak pihak. Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan selaku Ketua Jurusan Teknik Sipil sekaligus dosen pembimbing yang telah memberi bimbingan dan saran kepada penulis untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini. 2. Bapak Ir. Syarizal, MT sebagai Sekretaris Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Medan. 3. Bapak dan Ibu staf pengajar dan seluruh pegawai Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Medan. 4. Orang tua, Ir. P. Siallagan dan T. Batubara, atas dukungan baik dalam doa, nasehat, dan tenaga yang sangat berarti bagi penulis selama proses penyelesaian Tugas Akhir ini. 5. Terima kasih untuk motivasi dan semangat yang diberikan rekan-rekan seperjuangan Teknik Sipil stambuk 2007 untuk Andreas, Daniel TRT, Alfin, Dedy GS, Deddy Gultom, Jefferey, Rustxell, Bekro, Daniel Septian, Doan, Markus,
Boyma, Edwin, Sri, Firda, Marlina dan rekan-rekan lain yang tak tersebutkan namanya satu-persatu. 6. Rebecca Paulina Jenny Diah Prameswari untuk bantuan besarnya dalam tugas akhir ini, semangat, motivasi dan cinta kasih kepada penulis. 7. Deasy Siallagan dan Theresia Siallagan, untuk dukungan menyelesaikan tugas akhir ini. Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna,oleh karena itu penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari Bapak dan Ibu Staf pengajar serta rekan-rekan mahasiswa demi penyempurnaan Tugas Akhir ini. Akhir kata, penulis berharap Tugas Akhir ini dapat memberikan manfaat besar bagi kita semua. Medan, April 2013 Hormat Ramot David Siallagan NIM. 07 0404 094
DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... iv DAFTAR NOTASI... vii DAFTAR TABEL... x DAFTAR GAMBAR... xii BAB 1 : PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Perumusan Masalah... 2 1.3 Pembatasan Masalah... 4 1.4 Maksud dan Tujuan... 5 1.5 Manfaat... 5 BAB 2 : TINJAUAN PUSTAKA... 6 2.1 Jembatan... 6 2.1.1 Umum... 6 2.1.2 Dasar pemilihan tipe jembatan... 7 2.1.3 Bagian struktur jembatan... 9 2.2 Beton Prategang... 11 2.2.1 Konsep dasar beton prategang... 11 2.2.2 Sistem Prategang dan Pengangkeran... 16
2.2.3 Material beton prategang... 18 2.2.4 Analisa Prategang... 21 2.2.5 Kehilangan Prategang... 22 2.2.6 Pembebanan Jembatan... 27 2.3 Jembatan Box Girder... 40 2.3.1 Umum...40 2.3.2 Jembatan Box Girder dengan ketinggian konstan... 41 2.3.3 Jembatan Box Girder dengan ketinggian bervariasi... 41 2.3.4 Keuntungan penggunaan box girder... 42 2.3.5 Kerugian penggunaan box girder... 42 2.4 Perencanaan End Block... 43 2.4.1 Distribusi tegangan... 43 2.4.2 Panjang transfer dan penyaluran pada komponen pratarik dan desain penulangan angkur... 45 2.4.3 Daerah angkur pascatarik... 46 2.4.4 Tegangan tumpu ijin... 48 BAB 3 : APLIKASI DAN PERHITUNGAN... 50 3.1 Umum... 50 3.2 Kriteria desain jembatan... 50 3.3 Analisa struktur jembatan... 54 3.4 Perencanaan struktur sekunder... 56 3.5 Perencanaan jembatan dengan profil single twin cellular box girder... 60 3.5.1 Preliminary design... 60 3.5.2 Pembebanan jembatan...65
3.5.3 Gaya prestress, eksentrisitas dan jumlah tendon... 70 3.5.4 Analisa Loss of Prestress... 84 3.5.5 Tegangan akibat gaya prestress...91 3.5.6 Tegangan profil akibat beban... 94 3.5.7 Kontrol tegangan terhadap kombinasi pembebanan... 102 3.5.8 Penulangan single twin cellular box girder... 105 3.5.9 Perencanaan end block... 109 3.6 Perencanaan jembatan dengan profil single trapezoidal box girder... 112 3.6.1 Perencanaan dimensi profil... 112 3.6.2 Perhitungan section properties... 114 3.6.3 Pembebanan struktur... 115 3.6.4 Gaya prestress, eksentrisitas dan jumlah tendon... 117 3.6.5 Analisa kehilangan gaya prategang... 130 3.6.6 Tegangan profil akibat gaya prategang... 136 3.6.7 Tegangan profil akibat beban... 138 3.6.8 Kontrol tegangan ijin profil...147 3.6.9 Penulangan profil... 149 3.6.10 Perencanaan end block... 154 BAB 4 : KESIMPULAN DAN SARAN... 156 DAFTAR PUSTAKA... xv
DAFTAR NOTASI A = Luas potongan penampang (m 2 ) A ps = Luas total penampang tendon (mm 2 ) A s = Luas ekivalen bagian samping jembatan (m 2 ) C = Faktor relaksasi cf = Koefisien rangkak maksimum C w = koefisien seret e = bilangan natural (2,7183) E c = Modulus elastisitas beton (Mpa) e s = eksentrisitas tendon (m) E s = Modulus elastisitas baja (Mpa) f c = Kuat tekan beton (Mpa) f cc = Tegangan ijin tejan beton (Mpa) f cd = Tegangan beton akibat beban mati tambahan setelah prategang diberikan (Mpa) f cs = Tegangan beton pada level pusat baja segera setelah transfer (Mpa) f ct = Tegangan ijin tarik beton (Mpa) f pu = kuat tarik tendon yang ditetapkan (Mpa)
fy = Mutu baja yang digunakan (Mpa) H w = Gaya angin yang diterima struktur (kn) I x = Inersia penampang terhadap sumbu x (m 4 ) I y = Inersia penampang terhadap sumbu y (m 4 ) J = Faktor waktu K = Koefisien Wobble K cr = Koefisien rangkak K RE = Koefisien relaksasi M u = Momen ultimate (kn m) n = rasio Modulus n s = Jumlah strands yang digunakan P bs = beban putus minimal satu strand (kn) P eff = Gaya prategang akhir setelah terjadi kehilangan gaya prategang (kn) P j = Gaya prategang yang terjadi akibat jacking (kn) P o = Gaya prategang awal rencana (kn) V w = kecepatan angin rencana (m/s) W a = Tahanan momen sisi atas penampang (m 3 ) W b = Tahanan momen sisi bawah penampang (m 3 )
Y a = Jarak bagian atas terluar penampang dari garis netral penampang (m) Y b = Jarak bagian bawah terluar penampang dari garis netral penampang (m) Δf pcr = Kehilangan tegangan akibat rangkak beton (Mpa) Δf pes = Kehilangan prategang yang terjadi akibat perpendekan elastis (Mpa) Δf pre = Kehilangan gaya prategang akibat relaksasi baja (Mpa) Δf Ps = Kehilangan tegangan akibat gesekan tendon (Mpa) Δf psh = Kehilangan gaya prategang akibat susut beton (Mpa) ε cs = Regangan susut sisa total µ = koefisien friksi
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 : Tipe Jembatan dan aplikasi penjang jembatan... 9 Tabel 2.2 : Spesifikasi strand ASTM A-416... 21 Tabel 2.3 : Tabel nilai koefisien Wobble... 25 Tabel 2.4 : Tabel Nilai faktor relaksasi... 25 Tabel 2.5 : Jumlah lajur lalu lintas rencana... 30 Tabel 2.6 : Kecepatan angin rencana... 37 Tabel 2.7 : Koefisien seret C w... 37 Tabel 3.1 : Analisa struktur profil memanjang dan melintang jembatan box... 56 Tabel 3.2 : Tebal minimum sayap atas minimum profil box... 61 Tabel 3.3 : Dimensi profil melintang box girder... 63 Tabel 3.4 : Perhitungan section properties profil twin cellular box... 64 Tabel 3.5 : Tabel jumlah tendon setiap web... 72 Tabel 3.6 : Posisi tendon di tengah bentang dan di tumpuan... 79 Tabel 3.7 : Posisi baris tendon di bentang 0 45 m (twin cellular)... 80 Tabel 3.8 : Posisi baris tendon di bentang 45 75 m (twin cellular)... 81 Tabel 3.9 : Posisi baris tendon di bentang 75-120 m (twin cellular)... 82 Tabel 3.10 : Kombinasi tegangan... 103
Tabel 3.11 : Tegangan kombinasi 1 (twin cellular)... 103 Tabel 3.12 : Tegangan kombinasi 2 (twin cellular)... 104 Tabel 3.13 : Tegangan kombinasi 3 (twin cellular)... 104 Tabel 3.14 : Tegangan kombinasi 4 (twin cellular)... 104 Tabel 3.15 : Dimensi profil single trapezoidal box girder... 113 Tabel 3.16 : Section properties profil single trapezoidal box girder... 114 Tabel 3.17 : Tabel jumlah tendon setiap web (single trapezoidal)... 119 Tabel 3.18 : Posisi tendon di tengah bentang dan di tumpuan... 125 Tabel 3.19 : Posisi baris tendon di bentang 0 45 m (single trapezoidal)... 125 Tabel 3.20 : Posisi baris tendon di bentang 45 75 m (single trapezoidal)... 127 Tabel 3.21 : Posisi baris tendon di bentang 75-120 m (single trapezoidal)... 128 Tabel 3.22 : Tegangan kombinasi 1 (single trapezoidal)... 103 Tabel 3.23 : Tegangan kombinasi 2 (single trapezoidal)... 104 Tabel 3.24 : Tegangan kombinasi 3 (single trapezoidal)... 104 Tabel 3.25 : Tegangan kombinasi 4 (single trapezoidal)... 104
DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 : Profil memanjang jembatan yang akan direncanakan... 3 Gambar 1.2 : Profil single twin cellular box girder... 3 Gambar 1.3 : Profil single trapezoidal box girder... 3 Gambar 2.1 : Tipikal struktur jembatan... 10 Gambar 2.2 : Distribusi tegangan sepanjang... 13 Gambar 2.3 : Momen penahan lateral pada beton prategang dan beton bertulang... 14 Gambar 2.4 : Balok beton menggunakan baja mutu tinggi... 15 Gambar 2.5 : Balok prategang dengan tendon parabola... 16 Gambar 2.6 : Proses pengerjaan beton pratarik... 18 Gambar 2.7 : Proses pengerjaan beton pascatarik... 19 Gambar 2.8 : Untaian kawat (strand)... 19 Gambar 2.9 : Prategang konsentris... 22 Gambar 2.10 : Prategang eksentris... 23 Gambar 2.11 : Beban Lajur D... 31 Gambar 2.12 : Penyebaran pembebanan arah melintang... 33 Gambar 2.13 : Pembebanan truk T... 34 Gambar 2.14 : Pembebanan pejalan kaki... 35 Gambar 2.15 : Koefisien geser dasar... 39 Gambar 2.16 : Box girder dengan ketinggian konstan... 41 Gambar 2.17 : Box girder dengan ketinggian bervariasi... 42
Gambar 2.18 : Zona Angkur ujung untuk tendon terlekat... 45 Gambar 3.1 : Penampang melintang profil twin cellular box girder... 51 Gambar 3.2 : Potongan melintang gelagar jembatan... 62 Gambar 3.3 : Section properties profil twin cellular box... 63 Gambar 3.4 : Lintasan tendon pada profil twin cellular... 74 Gambar 3.5 : Lintasan tendon pada bentang 0 45 m (twin cellular)... 75 Gambar 3.6 : Lintasan tendon pada bentang 45 75 m (twin cellular)... 76 Gambar 3.7 : Lintasan tendon pada bentang 75 120 m (twin cellular)... 77 Gambar 3.8 : Posisi tendon di tengah bentang (twin cellular)... 78 Gambar 3.9 : Posisi tendon di tumpuan (twin cellular)... 79 Gambar 3.10 : trase tendon bagian 1 (twin cellular)... 83 Gambar 3.11 : Trase tendon bagian 2 (twin cellular)... 84 Gambar 3.12 : Diagram tegangan akibat beban sendiri... 94 Gambar 3.13 : Diagram tegangan akibat beban mati tambahan... 95 Gambar 3.14 : Diagram tegangan akibat beban pejalan kaki... 95 Gambar 3.15 : Diagram tegangan akibat gaya angin... 96 Gambar 3.16 : Diagram tegangan akibat beban gempa... 97 Gambar 3.17 : Diagram tegangan akibat susut beton... 98 Gambar 3.18 : Diagram tegangan akibat rangkak beton... 99 Gambar 3.19 : diagram tegangan akibat gaya prategang... 100 Gambar 3.20 : Gambar beban penyeimbang dan momen akibat gaya prategang... 101 Gambar 3.21 : Pembesian profil twin cellular box girder... 109
Gambar 3.23 : Penampang profil single trapezoidal box girder... 113 Gambar 3.24 : Section properties penampang single trapezoidal box... 114 Gambar 3.25 : Lintasan tendon profil single trapezoidal box... 121 Gambar 3.26 : Lintasan tendon bentang 0 45 m (single trapezoidal)... 122 Gambar 3.27 : Lintasan tendon pada 45 75 m (single trapezoidal)... 123 Gambar 3.28 : Lintasan tendon pada 75 120 m (single trapezoidal)... 123 Gambar 3.29 : Posisi tendon di tumpuan... 124 Gambar 3.30 : Posisi tendon di tengah bentang... 124 Gambar 3.31 : Grafik lintasan tendon 0 45 m (single trapezoidal)... 129 Gambar 3.32 : Grafik lintasan tendon 45 75 m (single trapezoidal)... 129 Gambar 3.33 : Diagram tegangan akibat beban sendiri... 138 Gambar 3.34 : Diagram tegangan akibat beban mati tambahan... 139 Gambar 3.35 : Diagram tegangan akibat beban pejalan kaki... 139 Gambar 3.36 : Diagram tegangan akibat beban angin... 140 Gambar 3.37 : Diagram tegangan akibat beban gempa... 141 Gambar 3.38 : Diagram tegangan akibat susut beton... 142 Gambar 3.39 : Diagram tegangan akibat rangkak beton... 143 Gambar 3.40 : Diagram tegangan akibat gaya prategang... 145 Gambar 3.41 : Gambar beban ekivalen dan momen prategang... 146 Gambar 3.42 : Pembesian profil single trapezoidal box girder... 152