Perencanaan Struktur Atas dan Struktur Bawah
Preliminary dimensi jembatan dilakukan berdasarkan data yang diperoleh dari konsultan utama, pembacaan peraturan-peraturan mengenai jembatan, dan perbandingan dengan studi literatur lainnya sehingga menghasilkan beberapa keputusan perencanaan struktur jembatan. Perencanaan ini juga diputuskan berdasarkan kriteria desain jembatan kemudian dimodelkan dengan program CSI Bridge versi 15, sehingga jembatan yang dimodelkan untuk dianalisis adalah sebagai berikut :
1. Tipe jembatan adalah frame bridge monolite structure 2. Perencanaan struktur atas jembatan menggunakan box girder
3. Perencanaan struktur bawah jembatan menggunakan abutment dan kolom “V”
4. Material box girder adalah prestressed concrete mutu K-500 5. Material kolom “V” adalah reinforced concrete mutu K-350
6. Elevasi alignment jembatan 3% dengan perletakan rol di kedua abutment 7. Jembatan 3 lajur pada 1 jalur (1 lajur = 3,5 m) dan lebar total jembatan 12 m 8. Jumlah & pembagian panjang span adalah 5 span (37,5 – 15 – 45 – 15 – 37,5
23
Gambar 22 Potongan Memanjang Jembatan
Gambar 23 Potongan Melintang Jembatan
Gambar 24 Hasil Pemodelan Struktur Jembatan menggunakan CSI Bridge Perencanaaan Box Girder
1. Dimensi Box Girder
Lebar box girder : 12 m (konstan sepanjang bentang)
Tinggi box girder : bervariasi dari 1,5 ~ 2,5 m
Jumlah cell : 0 buah
Tebal top slab : 0,3 m
Tebal web : 0,45 m
Tebal bottom slab : 0,25 m
Variasi kedalaman :
Gambar 25 Perencanaan Variasi Kedalaman Box Girder
span 1 span 2 span 3 span 4 span 5
37,5 m 15 m 45 m 15 m 37,5 m
24
2. Spesifikasi material girder Beton K-500
Kuat tekan karakteristik kubus usia 28 hari = 50 MPa
Kuat tekan karakteristik silinder usia 28 hari, f`c = 0,83 x 50 = 41,5 MPa
Modulus elastisitas = 4700 41,5 = 30277,632 MPa = 30277632 kN/m2
Poissons’s ratio = 0,20
Modulus geser = 12615680 kN/m2
Koefisien muai suhu = 1,170E-05 /oC
Berat spesifik = 25 kN/m3
Massa spesifik = 2,5493 kg
Perencanaan Kolom “V”
1. Dimensi kolom “V”
Dimensi penampang atas kolom adalah 2,5 x 6,0 m (Gambar 27a)
Dimensi penampang bawah kolom adalah 2,0 x 4,0 m (Gambar 27b)
(a) (b)
Gambar 26 Dimensi Kolom “V” (a) penampang atas; (b) penampang bawah
2. Spesifikasi material kolom Beton K-350
Kuat tekan karakteristik kubus usia 28 hari = 35 MPa
Kuat tekan karakteristik silinder usia 28 hari, f`c = 0,83 x 35= 29,05 MPa
Modulus elastisitas =4700 29,05= 25332,084 MPa = 25332084 kN/m2
Poissons’s ratio = 0,20
Modulus geser = 10555035 kN/m2
Koefisien muai suhu = 1,170E-05 /oC
Berat spesifik = 25 kN/m3
25 Input Pembebanan
Jembatan didesain dengan umur rencana 100 tahun karena merupaka tipe jembatan khusus sehingga beban yang bekerja di jembatan dikombinasi dengan nilai faktor beban :
Tabel 8 Kombinasi pembebanan berdasarkan faktor beban SLS Nama
Kombinasi
Aksi Permanen Aksi Transien Aksi Khusus SW SDL PS D T BF TL WF EQ-X EQ-Y IF SLS-1a 1 1 1 1 - 1 1 - - - - SLS-1b 1 1 1 - 1 1 1 - - - SLS-2a 1 1 1 1 - 1 1 0,7 - - - SLS-2b 1 1 1 - 1 1 1 0,7 - - - SLS-2c 1 1 1 - 0,7 0,7 1 1 - - - SLS-2d 1 1 1 0,7 - 0,7 1 1 - - - SLS-3a 1 1 1 1 - 1 0,7 1 - - - SLS-3b 1 1 1 - 1 1 0,7 1 - - - SLS-3c 1 1 1 - 0,7 0,7 1 1 - - - SLS-3d 1 1 1 0,7 0,7 1 1 - - - SLS-4a 1 1 1 1 - 1 - - - - 1 SLS-4b 1 1 1 - 1 1 - - - - 1
Tabel 9 Kombinasi Pembebanan berdasarkan faktor beban ULS Nama
Kombinasi
Aksi Permanen Aksi Transien Aksi Khusus SW SDL PS D T BF TL WF EQ-X EQ-Y IF ULS-1a 1,3 2 1 1,98 - 1,98 1,32 - - - - ULS-1b 1,3 2 1 1,98 - 1,98 - 1,32 - - - ULS-1c 1,3 2 1 - 1,98 1,98 1,32 - - - - ULS-1d 1,3 2 1 - 1,98 1,98 - 1,32 - - - ULS-2a 1,3 2 1 - - - 1,32 1,32 - - - ULS-3a 1,3 2 1 - - - 1 0,3 ULS-3b 1,3 2 1 - - - 0,3 1 ULS-4a 1,3 2 1 1,98 1,98 - - - - 1 ULS-4b 1,3 2 1 1,98 1,98 - - - - 1 Keterangan:
SW : Self Weight (Berat Sendiri)
SDL : Self Dead Load (Beban Mati Tambahan) PS : Prestress (Beban Prategang)
D : Beban Lajur “D”
T : Beban Truk “T”
BF : Breaking Force (Gaya Rem) TL : Temperature Load (Pengaruh Suhu) WF : Wind Force (Gaya Angin)
EQ-X : Earth Quake-X (Beban Gempa terhadap sb.X) EQ-Y : Earth Quake-Y (Beban Gempa terhadap sb.Y) IF : Impact Force (Gaya Tumbukan)
26
Besarnya nilai beban-beban yang terjadi dapat dijabarkan dengan contoh perhitungan berikut:
1. Beban Mati (Wc beton = 25 kN/m3)
Box Girder
Agmax = 7,3425 m2
Agmin = 6,7125 m2
Ag rata-rata = Ag1 + Ag2 2= 7,3425 + 6,71252 = 7,0275 m2
Berat Girder = Ag rata-rata x Wc beton x panjang jembatan = 7,0275 m2 x 25 kN/m3 x 150 m = 26353, 125 kN Kolom “V” Agtop = 15 m2 Agbottom = 8 m2 Ag rata-rata = Ag1 + Ag2 2= 15 + 82 = 11,5 m2
Berat kolom “V” = Ag rata-rata x Wc beton x tinggi kolom = 11,5 m2 x 25 kN/m3 x 6,5 m
= 1868,75 kN
Berat sendiri = 26353, 125 kN + 1868,75 kN = 28221,875 kN
2. Beban Mati Tambahan
Aspal (beban area)
Wc aspal = 22 kN/m3
Berat aspal = Wc aspal x tebal aspal = 22 kN/m3 x 0,05 m = 1,1 kN/m2
Parapet (beban garis)
Wc parapet = 24 kN/m3
Berat parapet = Wc parapet x Ag parapet = 24 kN/m3 x 0,385 m2 = 9,24 kN/m
3. Prategang
Tendon yang digunakan memiliki spesifikasi sebagai berikut :
d tendon = 0,5” = 12,7 mm = 0,0127 m Ast = 0.0000987 m Ø = 0,6 fu = 1860000 kN/m2 P = 110,15 kN σtijin = 3000 kN/ m2
27 Tabel 10 Hasil perhitungan tendon longitudinal
Tendon
di-Penampang Jembatan Momen Ptop/
bottom (kN) n Tendon dipakai A Iz Yt/Yb et/eb DL+LL pier 7,3425 6,2701 0,8871 0,7521 50750 17231(t) 156 10 x 5–19 center of main span 6,7125 2,7838 1,1644 1,0294 23460 11755(b) 106 6 x 5–19 center of approach span 6,8810 3,5626 1,2862 1,1512 32323 15455(t) 140 8 x 5–19
Berdasarkan analisis yang dilakukan pada program CSI Bridge masih perlu ditambahkan tendon 1 x 5 – 19 yang ditarik dari masing-masing ujung jembatan agar nilai tegangan tarik dan tekan yang terjadi sesuai SNI T-12-2004. Jembatan akan dikontruksi dengan metoda balance cantilever sehingga tendon didistribusikan seperti pada Gambar 28 dan Lampiran 9.
Gambar 27 Distribusi tendon dari tampak memanjang
Hasil perhitungan tendon transversal per 1 meter adalah 5 x 5 – 4 dengan perincian perhitungan : Mu = 1171,4365 kNm ΦMn = 1206,548085 kNm = 1206548085 Nmm t top slab = 450 mm a = 124,725 mm d = 405,155 mm ρps = 0,004935 fpu = 1860 MPa fps = 1654,299687 MPa dps = 400 mm t cover = 50 mm As = 2835,28737 mm2 Aps = 1974 mm2 n = 5 buah 4. Beban Lajur “D”
Beban terbagi rata (q)
28
Terdiri dari 3 kombinasi secara transversal, dengan jarak dan intensitas beban sebagai berikut :
Gambar 28 Distribusi beban “D” secara transversal
Total kombinasi adalah 93 kombinasi, dengan nilai q terbesar adalah 9,00 kN/m2 dan nilai q terkecil adalah 5,40 kN/m2. Beban ini dimasukkan dalam bentuk beban garis ke dalam program CSI Bridge sehingga dikalikan lebar lajur (3,5 m).
Beban garis (p)
p = intensitas p x lebar lajur = 49 kN/m x 3,5 m = 171,5 kN
Beban p di dimasukkan dalam bentuk beban titik ke dalam program CSI Bridge sehingga dikalikan lebar lajur (3,5 m) dan dikalikan faktor dinamis senilai 1,4.
5. Beban Truk “T”, beban truk yang digunakan adalah truk 50 ton = 500 kN
Gambar 29 Penginputan beban truk “T”
6. Gaya Rem (beban titik)
Gaya rem total = beban lajur “D” tertinggi x lebar lajur x panjang
jembatan x 5% = 9,00 kN/m2 x 3,5 m x 150 m x 5% = 234,25 kN Keterangan: 100% 50%
Gambar . Distribusi beban “D” secara
Tipe 1 Tipe 2 Tipe 3 8,25 m 8,25 m 2,25 m 2,25 m 8,25 m 1,13 m 1,13 m
29 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 -10 -5 0 5 10 15 he ight (mm) temp ('c)
temp PLUS temp MINUS Gaya rem per kolom = Gaya rem total x 3 lajur4 kolom
= 177,1875 kN 7. Beban Tumbukan Skenario 1 IF-x = cos 10o x 100 kN = 98,48 kN IF-y = sin 10o x 100 kN = 17,36 kN
Gambar 30 Beban tumbukan dari kendaraan arah memanjang
Skenario 2
IF-x = sin 10o x 100 kN = 17,36 kN
IF-y = cos 10o x 100 kN = 98,48 kN
Gambar 31 Beban tumbukan dari kendaraan arah melintang 8. Temperatur
Data suhu :
h = 1800 mm
Tp = 12o C
Tb = 5o C
Grafik nilai suhu adalah sebagai berikut :
30
9. Beban Angin
Data variabel beban angin :
Cw = 1,25
Vw = 25 m/s
Ab = 551, 25 m2
Hasil perhitungan :
Tew total = 258,398 kN
Tew per 4 kolom = 64,5995 kN 10. Beban Gempa
Jembatan yang didesain ini adalah tipe jembatan khusus sehingga perlu didisain dengan umur rencana 100 tahun. Oleh karena itu, pembebanan gempa yang dilakukan pun dikonversi menjadi 100 tahun dari data yang ada.
(a) (b) (c)
(d)
Gambar 33 Peta percepatan puncak (PGA) di batuan dasar (SB) untuk probabilitas terlampaui 2% dalam 50 tahun(a); Peta respon spektra percepatan 0,2 detik (SS) di batuan dasar (SB) untuk probabilitas terlampaui 2% dalam 50 tahun(b); Peta respon spektra percepatan 1,0 detik (S1) di batuan dasar (SB) untuk probabilitas terlampaui 2% dalam 50 tahun(c); Keterangan nilai gravity berdasarkan warna gambar(d)
Berdasarkan data tersebut, hasil perhitungan respon spektrum di kota Batam adalah sebagai berikut :
Tabel 11 Akselerasi spektrum gempa 2010
t Sa t Sa t Sa 0 0,0293 3,7 0,0595 4,6 0,0478 0,6 0,0733 3,8 0,0579 4,7 0,0468 3 0,0733 3,9 0,0564 4,8 0,0458 3,1 0,0710 4 0,0550 4,9 0,0449 3,2 0,0688 4,1 0,0537 5 0,0440 3,3 0,0667 4,2 0,0524 5,1 0,0431 3,4 0,0647 4,3 0,0512 5,2 0,0423 3,5 0,0629 4,4 0,0500 5,3 0,0415 3,6 0,0611 4,5 0,0489
31
Gambar 34 Grafik hasil respon spektrum
Hasil Gaya-Gaya Dalam 1. Gaya-Gaya Dalam Akibat Beban Mati (Berat Sendiri)
Gambar 35 Hasil gaya-gaya dalam akibat beban mati (berat sendiri) Kontrol perhitungan manual (contoh perhitungan):
q di girder
q girder = Ag rata-rata x Wc beton = 7,0275 m2 x 25 kN/m3 = 175,6875 kN/m
Pada span 3
M girder = 18 qgirder x (Lspan 3)2
= 18 175,6875 kN/m x (45 m)2
= 44470,9 kNm
Mgirder(program) = Mmax + Mmin
= 16330,702 + 32172,3 = 48503,002 kNm
M girder (CSI Bridge) ≈ M girder (manual) 0,0000 0,0100 0,0200 0,0300 0,0400 0,0500 0,0600 0,0700 0,0800 0 1 2 3 4 5 6 Aksele rasi S p ek tr u m T (Perioda) Momen Geser Torsi Normal
32
2. Gaya-Gaya Dalam Akibat SLS dan ULS
Gambar 36 Gaya-gaya dalam akibat SLS (envelope) Tabel 12 Nilai gaya-gaya dalam maksimum kombinasi ULS
Tipe Kombinasi
P V2 V3 T M2 M3
(kN) (kN) (kN) (kNm) (kNm) (kNm) ULS-4a -20398,5 9735,711 -8,238 -16,99 117,44 -66298,6
Gambar 37 Gaya-gaya dalam akibat ULS (envelope) Tabel 13 Nilai gaya-gaya dalam maksimum kombinasi SLS
Tipe Kombinasi
P V2 V3 T M2 M3
(kN) (kN) (kN) (kNm) (kNm) (kNm) SLS-4a -20450 6346,73 -8,238 -16,988 117,44 -37494 Hasil gaya-gaya dalam maksimum SLS dan ULS adalah sama, yaitu terjadi pada kombinasi 4a, dimana aksi tetap dikombinasikan dengan aksi transien (beban “D”) dan aksi khusus (tumbukan). Namun, nilai gaya-gaya dalam akibat kombinasi ULS lebih besar daripada kombinasi SLS. Hal ini dikarenakan kombinasi ULS dikalikan faktor pembebanan. Oleh karena itu, nilai kombinasi ULS digunakan untuk mendesain tulangan sedangkan nilai kombinasi SLS digunakan untuk mendesain tendon. Pada tipe struktur jembatan frame, perhitungan tulangan hanya berdasarkan nilai momen, gaya geser, dan gaya normal karena torsi ditopang oleh keseluruhan struktur. Sedangkan perhitungan tendon berdasarkan nilai momen.
) ) 5 711 238 9 44 6 3) Geser (V2) Momen (M3) Torsi (T) Normal (P) Momen (M3) Geser (V2) Torsi (T) Normal (P)
33 Kontrol Keamanan
1. Kontrol Tegangan
Tegangan ijin pada jembatan ini adalah :
Saat tertekan = 18,675 MPa = 18675 kN
Saat tertarik = 3,221 MPa = 3221 kN
Gambar 38 Tegangan akibat kombinasi SLS
Berdasarkan grafik yang ditunjukkan pada Gambar 39, hasil tegangan saat tertarik adalah 3186,5799 kN dan tegangan saat tertekan adalah 12430,29 kN. Kedua nilai ini lebih kecil dibandingkan nilai tegangan ijin berdasarkan SNI T-12-2004 sehingga struktur jembatan yang didisain adalah aman terhadap retak.
2. Kontrol Lendutan
Lendutan yang diijinkan pada bentang terpanjang 45 m adalah 40 mm (SNI T-02-2005) sedangkan lendutan maksimum yang terjadi pada jembatan frame yang didesain adalah 19,3 mm sehingga jembatan ini kaku.
34
Desain Tulangan
Tulangan yang didesain untuk jembatan frame ini terdiri dari tulangan kolom
“V” dan tulangan box girder. Tulangan kolom “V” didapat dengan bantuan
program PCACOL sedangkan tulangan box girder didapat dengan perhitungan manual dengan alur dan rumus yang tertulis di Lampiran 3 – Lampiran 5.
1. Tulangan Kolom “V”
Perhitungan kolom “V” dilakukan dengan penampang yang memiliki luas
penampang paling kecil sehingga tulangan dapat masuk ke penampang paling kecil dan mampu menopang gaya-gaya yang terjadi. Berikut adalah contoh data yang dimasukkan ke dalam program PCACOL dan hasil diagram interaksinya :
Gambar 40 Input data dalam program PCACOL
Gambar 41 Diagram interaksi kolom “V” penampang (4 x 2) m
Berdasarkan data yang telah dimasukkan menunjukkan hasil bahwa kebutuhan tulangan kolom “V” untuk menahan lentur (gaya akibat M3) digunakan tulangan D25-150 dan untuk menahan geser (gaya akibat V2) digunakan tulangan D16-150.
2. Tulangan Box Girder
Perhitungan tulangan box girder dilakukan melalui permodelan box girder dengan program SAP2000 dengan menggunakan variasi dimensi kedalaman pada bagian tengah jembatan (1,8 m) dan panjang girder secara longitudinal sepanjang 1 m. Melalui permodelan tersebut diperoleh pola gaya-gaya dalam sebagai berikut :
35
Gambar 42 Permodelan 1 meter box girder dan hasil gaya-gaya dalam Berdasarkan nilai gaya-gaya dalam tersebut diperoleh jenis tulangan yang berbeda pada tiap bagian girder agar mampu menopang gaya-gaya yang terjadi. Hasil perhitungan tulangan lentur, bagian top slab, digunakan tulangan D19-100 pada sisi tariknya (atas) sedangkan pada sisi tekan digunakan dua kali jarak dari tulangan tarik (atas) yaitu D19-200 pada sepanjang arah transversal dan longitudinal jembatan. Sedangkan hasil perhitungan tulangan lentur, bagian web dan bottom slab, digunakan tulangan D16-150. Dan pada hasil perhitungan tulangan geser hanya pada bagian web yang membutuhkan tulangan geser dan tulangan susut sehingga digunakan tulangan D16-150 juga. Perhitungan detail ditunjukkan tabel-tabel berikut : Tabel 14 Hasil perhitungan As box girder secara transversal
Tipe Balok Mu (Nmm) Mn (Nmm) DIMENSI As (mm2) As min (mm2) As pakai (mm2) d b Top
Slab 11,7E+08 14,6E+08 450 1000 9201,81 1575 9202 Bottom
Slab 1,11E+08 1,39E+08 250 1000 1435,34 875 1435 Web 6,36E+08 7,95E+08 450 1000 4697,08 1575 4697 Tabel 15 Hasil perhitungan tulangan lentur transversal box girder
Tipe Balok d (mm) Luas (mm2) n n' Tulangan pakai Tarik Tekan Top Slab 19 283,53 10 5 D19-100 D19-200 Bottom Slab 16 201,06 7 7 D16-150 D16-150 Web 16 201,06 7 7 D16-150 D16-150
Tabel 16 Hasil perhitungan tulangan lentur longitudinal box girder Tipe Balok Mu (Nmm) Mn (Nmm) DIMENSI h As D (mm) Luas (mm2) Tulangan pakai d b Top
Slab 11,7E+08 14,6E+08 450 1000 12000 9072 19 283,53 D19-100 Bottom
Slab 1,11E+08 1,39E+08 250 1000 6000 2376 16 201,06 D16-150 Web 6,36E+08 7.95E+08 450 1000 1800 1360,8 16 201,06 D16-150
36
Tabel 17 Hasil perhitungan Vc box girder secara transversal Tipe Balok Vu (N) Vn (N) Lebar Slab b (mm) Tinggi Ef d (mm) Vc (N) Top Slab 634333 975897 12000 420 5411321 Bottom Slab 55890 85985 6000 220 1417251 Web 295134 454052 450 1770 855182
Tabel 18 Hasil perhitungan tulangan geser transversal box girder Tipe Balok ØVs (N) Keterangan d (mm) Av (mm2) Tulangan pakai Top Slab -2,61E+06 Tak Perlu
Sengkang 0 0 -
Bottom Slab -7,94E+05 Tak Perlu
Sengkang 0 0 -
Web -2,18E+05 Hitung
Sengkang 16 402,124 D16-150 Tabel 19 Hasil perhitungan tulangan susut box girder
Tipe Balok Tulangan pakai Top Slab D16 - 150 Bottom Slab D16 - 150
Web D16 - 150