http://noerilham01.blogspot.com/ANALISIS STRUKTUR JEMBATAN BETON PORTAL LENGKUNG DENGAN SOFTWARE SAP2000Analisis struktur jembatan rangka beton portal lengkung dilakukan dengan software SAP2000 yang berbasis elemen hingga (finite element) untuk berbagai kombinasi pembebanan yg meliputi berat sendiri (MS), beban mati tambahan (MA), beban lalu-lintas kendaraan yg berupa beban lajur D (TD), gaya rem (TB), beban pedestrian (TP), dan beban pengaruh lingkungan yang meliputi pengaruh temperature (ET), beban angin (EW), beban gempa (EQ) dengan pemodelan struktur 3-D (space-frame). Metode analisis yang digunakan adalah analisis linier metode matriks kekakuan langsung (direct stiffness matriks) dengan deformasi struktur kecil dan material isotropic. Analisis struktur terhadap beban gempa selain digunakan cara statik ekivalen juga dilakukan analisis dinamik Response Spectrum Analysis dan Time History Analysis. Struktur jembatan dirancang mampu menahan gempa rencana sesuai peraturan yang berlaku yaitu Peraturan Perencanaan Teknis Jembatan, 1992 (BMS-1992). Dalam peraturan ini gempa rencana ditetapkan mempunyai periode ulang 500 tahun, sehingga probabilitas terjadinya terbatas pada 10 % selama umur gedung 50 tahun. Berdasarkan pembagian Wilayah Gempa, lokasi jembatan di Yogyakarta, termasuk wilayah gempa 3 dengan percepatan puncak batuan dasar 0,15.g (g = percepatan grafitasi = 9,81 m/det2). Konsep perancangan konstruksi didasarkan pada analisis kekuatan batas (ultimate-strength) yang mempunyai daktilitas cukup untuk menyerap energi gempa sesuai dengan peraturan yang berlaku.DATA JEMBATANKlasifikasi Jembatan : Klas I Bina MargaTipe Jembatan : Rangka beton portal lengkungJumlah bentang: 3 bentangPanjang bentang tengah: 75 mPanjang bentang tepi: 35 mPanjang total jembatan: 145 m1. Struktur Atas (Upper Structure)Terdiri atas : Slab lantai kendaraan, yang menjadi kesatuan monolit dengan balok dan kolom yang membentuk rangka beton portal lengkung.2. Struktur bawah (Sub Structure)Terdiri atas Abutment dengan Fondasi Footplat dan Pier dengan sistem fondasi Borpile.3. Dimensi JembatanTebal slab lantai jembatanh = 0.25 mTebal lapisan aspal + over-layta = 0.10 mTebal genangan air hujanth = 0.05 mJarak antara kolom penyanggaLx = 5.00 mJarak antara balok lantai s = 1.70 mLebar jalur lalu-lintasb1 = 6.00 mLebar trotoarb2 = 1.50 mLebar medianb3 = 0.50 mBentang jembatan tengahL1 = 75.00 mBentang jembatan tepiL2 = 35.00 m

BAHAN STRUKTURMutu beton :K - 350Kuat tekan betonfc' = 0.83 * K / 9.81 = 29.61 MPaModulus elastikEc = 4700 * fc' = 25576 MPaAngka poisson u = 0.2Modulus geser G = Ec / [2*(1 + u)] = 10657 MPaKoefisien muai beton, = 1.0E-05 / CMutu baja :Untuk baja tulangan dengan > 12 mm : U - 39Tegangan leleh baja, fy = 390 MPaUntuk baja tulangan dengan 12 mm : U - 24Tegangan leleh baja, fy = 240 MPa

Gambar 1. Jembatan beton portal lengkung

Gambar 2. Dimensi jembatan Pemodelan struktur jembatan beton portal lengkung dengan SAP2000 seperti Gambar 3.

Gambar 3. Model struktur jembatan dengan SAP2000 A. ANALISIS BEBAN JEMBATAN

1. BERAT SENDIRI ( MS )

Faktor beban ultimit :KMS =1.3Berat sendiri ( self weight ) adalah berat bahan dan bagian jembatan yang merupakan elemen struktural, ditambah dengan elemen non-struktural yang dipikulnya dan bersifat tetap. Berat sendiri elemen struktural seperti kolom, balok, plat, dan dinding, dihitung secara otomatis oleh Program SAP2000. Elemen struktural terdiri dari balok lengkung, kolom, plat dinding, balok lantai, dan plat lantai jembatan. Berat sendiri yang tidak termasuk elemen struktur adalah trotoar dan pemisah jalur (median).1.1. Berat sendiri trotoarNoLebarTinggiShapewBerat(m)(m)(kN/m3)(kN/m)10.850.25125.005.31320.250.55125.003.43830.850.200.525.002.12540.600.20125.003.00050.300.20124.001.4406Railing pipa galvanis 2.5"1.250Berat sendiri trotoar,QMS =16.565kN/m1.2. Berat sendiri pemisah jalur (median)NoLebarTinggiShapewBerat(m)(m)(kN/m3)(kN/m)10.500.40124.004.800Berat sendiri median (pemisah jalur),QMS =4.800kN/m

Gambar 4. Beban berat sendiri (MS) trotoar dan pemisah jalur 2. BEBAN MATI TAMBAHAN ( MA )

Faktor beban ultimit :KMA =2.0Beban mati tambahan ( superimposed dead load ), adalah berat seluruh bahan yang menimbulkan suatu beban pada jembatan yang merupakan elemen non-struktural, dan mungkin besarnya berubah selama umur jembatan. Jembatan direncanakan mampu memikul beban tambahan sebagai berikut.

2.1. Beban mati tambahan pada lantai jembatanNoJenis beban mati tambahanTebalwBerat(m)(kN/m3)(kN/m2)1Lapisan aspal + overlay0.1022.002.2002Genangan air hujan0.059.800.490 qMA =2.690kN/m22.2. Beban mati tambahan pada trotoarBerat tiang listrik (lights) untuk penerangan merupakan beban terpusat pada bagian tepi jembatan (trotoar) yang dipasang pada setiap jarak 25 m.PMA =5.00kN

Gambar 5. Beban mati tambahan (MA) pada lantai jembatan

Gambar 6. Beban mati tambahan (MA) pada trotoar 3. BEBAN LAJUR "D" ( TD )

Faktor beban ultimit :KTD =1.8Beban lajur "D" terdiri dari beban terbagi merata (Uniformly Distributed Load), UDL dan beban garis (Knife Edge Load), KEL seperti terlihat pada gambar.UDL mempunyai intensitas q (kPa) yang besarnya tergantung pada panjang total L yang dibebani dan dinyatakan dengan rumus sebagai berikut :q = 9.0kPa untuk L 30 mq = 9.0 *( 0.5 + 15 / L )kPa untuk L > 30 mKEL mempunyai intensitas,p = 49.0kN/mFaktor beban dinamis (Dinamic Load Allowance) untuk KEL diambil sebagai berikut :DLA = 0.4 untuk L 50 mDLA = 0.4 - 0.0025*(L - 50)untuk 50 < L < 90 mDLA = 0.3untuk L 90 mLebar jalur lalu-lintas,b1 = 6.00 mPanjang bentang jembatan bagian tengah,L1 = 75.00 mPanjang bentang jembatan bagian tepi,L2 = 35.00 mPanjang bentang rata-rata, Lav = 55.00 mPanjang bentang maksimum, Lmax = 75.00 mPanjang bentang ekivalen, LE = ( Lav * Lmax ) = 64.226 mUntuk LE > 30 m :q = 9.0 *( 0.5 + 15 / LE ) = 6.602 kPaBeban merata (UDL) pada lantai jembatan :qTD = [ 5.5 * q * 100% + ( b1 - 5.5 ) * q * 50% ] / b1 = 6.327 kN/m2Beban garis (KEL) pada lantai jembatan : p = 49.00 kN/mp = [ 5.5 * p * 100% + ( b1 - 5.5 ) * p * 50% ] / b1 = 46.96 kN/mFaktor beban dinamis untuk 50 < LE < 90 m,DLA = 0.4 - 0.0025*(LE - 50) = 0.364PTD = ( 1 + DLA ) * p = 64.072 kN/m

Gambar 7. Beban lajur D (TD)

Gambar 8. Beban lajur D (TD) untuk UDL

Gambar 9. Beban lajur D (TD) untuk KEL 4. GAYA REM ( TB )

Faktor beban ultimit :KTB =2.0Pengaruh pengereman dari lalu-lintas diperhitungkan sebagai gaya dalam arah memanjang, dan dianggap bekerja pada permukaan lantai jembatan. Besarnya gaya rem arah memanjang jembatan tergantung panjang total jembatan (Lt) sebagai berikut :Gaya rem, TTB = 250 kNuntuk Lt 80 mGaya rem, TTB = 250 + 2.5*(Lt - 80) kNuntuk 80 < Lt < 180 mGaya rem, TTB = 500 kNuntuk Lt 180 mPanjang total jembatan, Lt = L1 + 2 * L2 = 145 mUntuk 80 m < Lt < 180 m maka :Besarnya gaya rem yang bekerja (untuk 2 jalur lalu-lintas),TTB = [ 250 + 2.5 * (Lt - 80) ] * 2 = 825 kNBeban lajur "D" tanpa reduksi akibat panjang bentang (penuh) :q = 9.0kPap = 49.0 kN5% x Beban lajur "D" penuh tanpa faktor beban dinamis :5% * TD = [ 0.05 * (q * b1 * Lt + 3 * p * b1) ] * 2 = 871.2 kNKarena, TTB 100 m2 :q = 2kPaPanjang bentang total,Lt = 145.000 mLebar satu trotoar,b2 = 1.50 mLuas bidang trotoar,A = 2 * ( b2 * Lt ) = 435 m2Intensitas beban pada trotoar,q = 2 kPaPembebanan jembatan untuk trotoar,QTP = q * b2 = 3.00 kN/m

Gambar 11. Beban pedestrian (TP) 6. BEBAN ANGIN ( EW )

Faktor beban ultimit :KEW =1.2Gaya akibat angin dihitung dengan rumus sebagai berikut :TEW = 0.0006*Cw*(Vw)2*AbkNCw =koefisien seret= 1.25Vw =Kecepatan angin rencana= 35 m/detAb =luas bidang samping jembatan (m2)Gaya angin didistribusikan merata pada bidang samping setiap elemen struktur yang membentuk portal lengkung pada arah melintang jembatan. Lebar bidang kontak vertikaluntuk setiap elemen rangka samping struktur jembatan diambil lebar elemen yang terbesar. Beban angin pada rangka jembatan lengkung untuk, b =1.75 m :TEW = 0.0006*Cw*(Vw)2 * b = 1.608 kN/mBeban garis merata tambahan arah horisontal pada permukaan lantai jembatan akibat angin yang meniup kendaraan di atas jembatan dihitung dengan rumus :TEW = 0.0012*Cw*(Vw)2 kN/m dengan Cw = 1.2TEW = 0.0012*Cw*(Vw)2 = 1.764 kN/mBidang vertikal yang ditiup angin merupakan bidang samping kendaraan dengan tinggi 2.00 m di atas lantai jembatan.h =2.00mJarak antara roda kendaraan x =1.75mTransfer beban angin ke lantai jembatan,T'EW = [ 1/2*h / x * TEW ]T'EW = 1.008 kN/m

Gambar 12. Tranfer beban angin

Gambar 13. Beban angin (EW) 7. PENGARUH TEMPERATUR (ET)Faktor beban ultimit :KET = 1.2Untuk memperhitungkan tegangan maupun deformasi struktur yang timbul akibat pengaruh temperatur, diambil perbedaan temperatur yang besarnya sama dengan selisih antara temperatur maksimum dan temperatur minimum rata-rata pada lantai jembatan.Koefisien muai panjang untuk beton, = 1.0E-05 /CTemperatur maksimum rata-rata Tmax =40 CTemperatur minimum rata-rata Tmin =25 CPerbedaan temperatur pada lantai jembatan, T = Tmax - TminT = 15 C

Gambar 14. Beban temperatur (ET) 8. PENGARUH SUSUT DAN RANGKAK (SR)

Faktor Beban Ultimit :KSR =1.08.1. Pengaruh rangkak (Creep)Regangan akibat creep,cr = ( fc / Ec) * kb * kc * kd * ke * ktnkb = koefisien yang tergantung pada pemakaian air semen (water cement ratio).Untuk beton normal dengan faktor air semen, w = 0.45 dan cement content = 3.5 kN/m3, maka nilai : kb = 0.75kc = koefisien yang tergantung pada kelembaban udara,Untuk perhitungan diambil kondisi kering dengan kelembaban udara < 50 %, maka nilai : kc = 3kd = koefisien yang tergantung pada derajat pengerasan beton saat dibebani dan pada suhu rata-rata di sekelilingnya selama pengerasan beton.Jumlah hari dimana pengerasan terjadi pada suhu rata-rata T, t = 28 hariTemperatur udara rata-rata, T = 27.5CUmur pengerasan beton terkoreksi saat dibebani : t' = t * (T + 10) / 30 = 35 hari, untuk semen normal tipe I maka nilai : kd = 0.938ke = koefisien yang tergantung pada tebal teoritis (em)Luas penampang balok 800/1750,A = 1.40 m2Keliling penampang balok yang berhubungan dengan udara luar,K = 5.100 m dan em = 2 * A / K = 0.549 m, maka nilai : ke =0.734ktn = koefisien yang tergantung pada waktu (t) dimana pengerasan terjadi dan tebal teoritis (em).Untuk,t = 28 hari dan em = 0.549 m, maka nilai : ktn = 0.2Kuat tekan beton,fc' = 29.61MPaModulus elastik beton,Ec = 25576.22MPaRegangan akibat creep, cr = ( fc' / Ec ) * kb * kc * kd * ke * ktn = 0.000368.2. Pengaruh susut (shrinkage)Regangan akibat susut,su = b * kb * ke * kpb = regangan dasar susut (basic shrinkage strain).Untuk kondisi kering udara dengan kelembaban 2000 kendaraan / hari, jembatan pada jalan raya utama atau arteri, tetapi terdapat route alternatif, maka diambil faktor kepentingan, I = 1.0sehingga, TEQ = Kh * I * WtTEQy = 0.20 * Wt9.1.2. Koefisien gempa static arah X (memanjang jembatan)Waktu getar alami,T = 0.35316 detikKondisi tanah dasar sedang (medium).Lokasi di wilayah gempa : Zone-3 maka dari kurva spectrum diperoleh, C = 0.18Untuk struktur jembatan dengan daerah sendi plastis berupa beton bertulang dan bangunan atas bersatu dengan bangunan bawah) tetapi struktur hanya dapat berperilaku daktail terbatas (semi daktail), maka diambil faktor tipe bangunan, S = 2Koefisien beban gempa horisontal, Kh = C * S =0.36Untuk jembatan yang memuat > 2000 kendaraan / hari, jembatan pada jalan raya utama atau arteri, tetapi terdapat route alternatif, maka diambil faktor kepentingan,I = 1.0 sehingga, TEQ = Kh * I * WtTEQx = 0.36 * WtGaya gempa arah memanjang maupun arah melintang jembatan. Input data koefisen geser dasar gempa static kedalam SAP2000 seperti gambar 20 dan 21 didistribusikan secara otomatis ke setiap joint oleh Program SAP2000.

Gambar 20. Input data koefisien geser dasar gempa arah Y

Gambar 21. Input data koefisien geser dasar gempa arah X 9.2. Metode Analisis Response SpectrumBesar beban gempa ditentukan oleh percepatan gempa rencana dan massa total struktur. Massa total struktur terdiri dari berat sendiri elemen struktur (DEAD), berat sendiri elemen non-struktur (MS) dan beban mati tambahan (MA). Percepatan gempa diambil dari data zone 3 Peta Wilayah Gempa Indonesia menurut Peraturan Perencanaan Teknis Jembatan, 1992 (BMS-1992). Input data kurva spectrum gempa rencana ke dalam SAP2000 seperti Gambar 22.Nilai spectrum respons tersebut harus dikalikan dengan suatu factor skala (scale factor) yang besarnya = g = percepatan grafitasi (g = 981 cm/det2).Scale factor = 9,81 seperti Gambar 23 dan 24.Analisis dinamik dilakukan dengan metode superposisi spectrum response dengan mengambil response maksimum dari arah gempa melintang jembatan (arah Y) maupun arah memanjang jembatan (arah X). Nilai redaman untuk struktur beton diambil, Damping = 0,05. Digunakan number eigen NE = 12 dengan mass partisipation factor 90 % dengan kombinasi dinamis (modal combination) CQC dan directional combination SRSS.

Gambar 22. Input data kurva respon spectrum gempa rencana

Gambar 23. Input beban respons spectrum arah X

Gambar 24. Input beban respons spectrum arah Y 9.2. Metode Analisis Dinamik Time HistoryAnalisis dinamik linier riwayat waktu (time history) sangat cocok digunakan untuk analisis struktur yang tidak beraturan terhadap pengaruh gempa rencana. Mengingat gerakan tanah akibat gempa di suatu lokasi sulit diperkirakan dengan tepat, maka sebagai input gempa dapat didekati dengan gerakan tanah yang disimulasikan. Dalam analisis ini digunakan hasil rekaman akselerogram gempa sebagai input data percepatan gerakan tanah akibat gempa. Rekaman gerakan tanah akibat gempa diambil dari akselerogram gempa El-Centro N-S yang direkam pada tanggal 15 Mei 1940. Input data akselerogram gempa El-Centro ke dalam SAP2000 dilakukan seperti pada Gambar 25.Dalam analisis ini redaman struktur yang harus diperhitungkan dapat dianggap 5% dari redaman kritisnya. Faktor skala yang digunakan = g x I/S dengan g = percepatan grafitasi (g = 981 cm/det2). Scale factor = 9,81 x 1 / 2 = 4,905Mengingat akselerogram tersebut terjadi selama 10 detik, maka dengan interval waktu 0,1 detik, jumlah output step-nya menjadi = 10/0,1 = 100. Data-data tersebut diinputkan ke dalam SAP2000 untuk gempa Time History seperti Gambar 25.

Gambar 25. Input data akselerogram gempa El-Centro 1940

Gambar 26. Input beban akselerogram gempa (time history) arah X

Gambar 27. Input beban akselerogram gempa (time history) arah Y KOMBINASI PEMBEBANANKombinasi beban dilakukan sesuai ketentuan Peraturan Perencanaan Teknik Jembatan, 1992 seperti table berikut :Aksi / BebanFaktorKOMBINASI

Beban1234

A. Aksi Tetap

Berat sendiriKMS1.301.301.301.30

Beban Mati TambahanKMA2.002.002.002.00

Susut dan rangkakKSR1.001.001.001.00

B. Aksi Transien

Beban Lajur "D" KTD 1.801.001.00

Gaya RemKTB2.001.001.00

Beban TrotoarKTP2.00

C. Aksi Lingkungan

Pengaruh TemperaturKET1.001.001.00

Beban AnginKEW1.001.20

Beban GempaKEQ1.00