PENGUKURAN FLUTTER MARGIN MODEL JEMBATAN DI UPT-LAGG BPPT
Subagyo1), Angga Dwi Saputra2) 1),2)
UPT-Laboratorium AeroGasdinamika dan Getaran (LAGG) Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT), Telp.021-7560902, Fax.021-7560901, Kawasan PUSPIPTEK, Setu, Tangerang
Selatan, Indonesia
e-mail: subagyo@bppt.go.id , angga.dwi@bppt.go.id
INTISARI
Pembangunan infrastruktur di Indonesia terus meningkat sejalan dengan pertumbuhan ekonomi nasional. Jembatan sebagai penghubung dua tempat yang terpisahkan oleh sungai besar atau laut merupakan infrastuktur yang penting untuk meningkatkan kelancaran distribusi komuditas. Struktur jembatan yang menghubungkan dua tempat yang jauh memiliki bentang panjang dengan jarak hingga ratusan meter bahkan ribuan meter. Struktur yang demikian akan mempunyai sifat elastis dan rentan terhadap beban angin.
Dalam rangka memenuhi kriteria kekuatan terhadap beban angin sebuah jembatan dimodelkan untuk diuji guna mengetahui flutter margin agar jembatan yang dibangun aman terhadap terpaan angin yang terjadi.Demikian juga data angin di suatu tempat jembatan dibangun perlu diketahui.
Makalah ini membahas system data aquisisi dan intrumentasi yang digunakan dalam pengujian pengukuran flutter margin model jembatan. Hasil yang diperoleh berupa frekuensi flutter yang akan terjadi pada model yang berkaitan pada nilai kisaran kecepatan yang perlu diketahui.
Kata Kunci:Infrastruktur, struktur jembatan, bentang panjang, data aquisisi, intrumentasi
ABSTRACT
Infrastructure development in Indonesia continues to increase along with the growth of the national economy. As a bridge connecting the two places are separated by a large river or ocean is an infrastructure that is essential to improve the smoothness of the distribution of commodities. The structure of the bridge that connects two distant places have long spans a distance of up to hundreds of meters or even thousands of meters. Such a structure will have elastic properties and are vulnerable to wind load.
In order to meet the criteria of strength against wind load a bridge is modeled to be tested to determine the flutter margin in order to secure a bridge that was built against the wind that occurs. Similarly, wind data on a need to know where the bridge is built.
This paper discusses the data acquisition and instrumentation system used in the test measurement model of bridge flutter margin. The results obtained are reported in the form of frequency flutter will occur in models related to the value range of speeds to know.
1 PENDAHULUAN
Pertumbuhan ekonomi berkembang dengan baik memerlukan fasilitas pendistribusian barang dan jasa secara efisien. Indonesia sebagai Negara kepulauan mempunyai kendala dalam pendistribuasian barang dan jasa sehingga terjadi perbedaan harga yang mencolok antara pulau yang satu dengan yang lainnya.
Pembangunan infrastruktur jembatan sebagai penghubung satu tempat ke tempat lainnya atau satu pulau ke pulau lainnya sangatlah diperlukan. Struktur jembatan yang menghubungkan dua tempat yang jauh akan memiliki sifat keelastikan sehingga apabila diterpa oleh angin timbul interaksi yang dapat menyebabkan peristiwa buffeting, resonansi dan flutter[1],[2],[3],[4]. Salah satu penyebab runtuhnya jembatan Tacoma pada tahun 1941 adalah terjadinya flutter sehingga amplitude simpangan bentang jembatan makin membesar.
Gambar 1. Pengujian model jembatan di terowongan angin
Pengujian model jembatan di terowongan angin dengan kaidah similaritas menjadi sebuah keharusan untuk menghindari bencana flutter. Fasilitas Terowongan angin UPT-LAGG BPPT [5] dapat digunakan untuk melaksanakan pengujian tersebut dengan menambahkan peralatan ukur getaran [6],[7],[8]. Dalam makalah ini diuraikan dasar teori, metoda dan teknik pengukuran, hasil dan pembahasan serta kesimpulan.
2 DASAR TEORI
Struktur jembatan bentang panjang dengan perbandingan bentangan dan lebar yang cukup besar menimbulkan sifat keelastikan. Interaksi sifat elastik struktur bentang panjang terhadap terpaan angin dapat menimbulkan fenomena galloping, resonansi maupun flutter. Penyederhanaan permasalahan fenomena ini dapat dijelaskan dengan mengambil irisan melintang dari jembatan [9] yang dibuat sebagai bentuk model dek jembatan seperti terlihat pada gambar 2.
Gambar 2. Irisan melintang struktur jembatan dan sistem penopangnya
Selanjutnya permodelan seperti gambar 2 dapat didekati dengan persamaan gerak interaksi aliran dan struktur dek jembatan yang dituliskan dalam persaman (1),(2) dan (3). 2 ( 2 ) x x x x f b m x x x D D (1) 2 ( 2 ) y y y y f b m y y y L L (2) 2 ( 2 ) f b I M M (3)
Dengan m=massa sistem, ξ=redaman, ω=konsatanta pegas
Persamaan gerak (1) sampai dengan (3) merupakan persamaan dasar getaran dengan kondisi tertentu timbul gerakan yang teredam, terjadi resonansi dan tidak teredam. Sistem persamaan diatas merupakan persamaan dengan dua derajat kebasan ( 2
Degree of Fredom) yaitu heaving dan pitching. Secara analitik respon dinamik
struktur terhadap terpaan angin sulit diperoleh solusinya. Pada tulisan ini dipaparkan teknik eksperimen pengukuran untuk memperoleh flutter margin struktur jembatan bentang panjang.
3 METODE DAN TEKNIK PENGUKURAN
Metode penelitian yang dipakai dengan mengukur respon dinamik struktur dengan memasang acceloremeter pada dua tempat untuk mengukur respon dinamik yang dihasilkan. Penentuan flutter margin tidak diukur pada saat peristiwa benar-benar terjadi karena amplitude dari sistem akan terus membesar sehingga sangat berbahaya. Teknik pengukuran dengan cara mengektrapolasi syarat terjadinya flutter pada sistem struktur jembatan terhadap kecepatan.
Secara garis besar metode pengukuran dapat dijelaskan dengan diagram gambar 3. Kemudian pengukuran menggunakan peralatan yang terintegrasi sehingga berfungsi sesuai dengan yang diharapkan akan dijelaskan satu-persatu dalam tulisan ini.
Gambar 3. Diagram alir pengujian
Set Up Model
Model seksional statik jembatan yang diuji adalah replika struktur dek jembatan bagian tengah dengan skala perkecilan 1:40. Dimana kaidah kesetaraan yang harus dipenuhi adalah kesetaraan aerodinamika yang dinyatakan dari kesetaraan bentuk geometry dari desain struktur yang telah dibuat oleh perencana. Gambar 4 merupakan contoh irisan lintang dari desain struktur yang akan dibuat replikanya.
Gambar 4. Desain Struktur dek jambatan bentang panjang
Untuk mereplika gerakan osilasi jembatan prototype secara dinamik, maka model disangga oleh delapan sistem pegas yang konstanta pegas-nya sama. Frekuensi osilasi heaving dikendalikan oleh rapat masa model dan frekuensi osilasi torsi dikendalikan oleh rapat momen inersia masa dan jarak antar pegas, pegas yang digunakan memiliki konstanta yang sama dan berjumlah 8 seperti ditunjukkan pada gambar 2.
Tuning Model
Sebelum model diuji, maka pada model berikut sistem penyangga pegas-nya harus dilakukan pengaturan sedemikian rupa sehingga frekuensi natural getarannya memberikan resonansi di daerah operasi terowongan angin. Frekuensi
Set Up Model
Tuning Model
Melakukan uji terowongan angin
Analisa Flutter Model Seksional Jembatan
heaving tergantung dari massa model dan konstanta pegas. Frekuensi torsi juga akan dipengaruhi oleh jarak antar pegas.Data momen inersia masa prototype jembatan diperoleh dari perencana, sedangkan momen inersia masa model jembatan diperoleh dengan pengukuran langsung. Model tuning atau pengukuran frekuensi natural model dilakukan dengan metoda Model Modal Testing (MMT). Metoda standard yang digunakan untuk model seksional jembatan di LAGG adalah metoda Impact
Hammer
Alat-alat yang dibutuhkan dalam Impact Hammer maupun pengujian dengan terpaan angin adalah:
Sensor accelerometer
Gambar 5. Sensor Accelerometer tipe piezoelectric
Accelerometer digunakan B&K, tipe 4374 merupakan miniature piezoelectric
dengan berat 0.65 gram, dengan sensitivitas 1,5 pC/g. Sensor ini memiliki frekuensi range 1-26 kHz, dan maksimum level operasional 5000g
Conditioning Amplifier (CA)
Gambar 6. Conditioning Amplifier
Conditioning Amplifier adalah perangkat yang berfungsi untuk pengkondisian
atau penguat sinyal . CA yang digunakan adalah B&K dengan tipe 2626. Sinyal yang keluar dari accelorometer berupa charge diubah dan dikuatkan
menjadi sinyal tegangan Pada CA ini dapat mengatur sensitivitas yang di inginkan dengan nilai 1 -1100 pC/g.
Data acquisitions
Gambar 7. Dewe 41 T DSA
Gambar 7 menunjukkan foto sistem perolehan data dengan instrument Dewe 41 T DSA. Dewetron adalah instrument data akuisisi yang dapat membaca dan mengolah sinyal sensor. Sistem akuisisi data Dewe 41 T DSA memiliki spesifikasi 4 channel simultaneously analog input, dan 1 tachometer input, 24 bit resolution, 52.7 kS/s maksimum sampling rate, ±1-±10 V input range, AC/DC coupling, USB 2.0
Impact Hammer
Gambar 8. Foto Impact Hammer diatas model jembatan
Impact hammer yang digunakan merupakan produk B&K dengan tipe 8202
yang dilengkapi dengan force tranducer B&K tipe 8200, dengan sensitivitas 3.79 pC/N.
Selanjutnya sistem perolehan data secara diagramatis dapat dilihat pada gambar 9. Kemudian gambar 10 menunjukkan foto secara nyata untuk memperoleh data didalam pengujian di terowongan angin.
Gambar 9. Diagramatis sistem perolehan data
Pengujian Terowongan Angin
Setelah pengukuran Impact hammer selesai dilakukan pengujian terowongan angin. Pembangkit sinyal Hammer dilepas terlebih dahulu. Kecepatan angin dibaca dari hasil pengukuran langsung disekitar model menggunakan pitot-tube anemometer yang diletakkan di atas model. Akselerasi dan frekuensi getar model dibaca oleh accelerometer. Proses pengorganisasian dan pengolahan data dilakukan dengan Sistem Akuisisi Data (SAD). Sensor accelerometer, yang ditempatkan masing-masing secara vertikal di sisi depan (AC1) dan sisi belakang (AC2) dapat dilihat pada gambar 11, sensor accelerometer yang digunakan adalah B&K tipe 4374.
Gambar 11. Penempatan sensor accelerometer didalam model dek jembatan
Pada model jembatan akan dihembuskan angin dengan kecepatan yang bervariasi. Pada saat kecepatan angin diterowongan sudah mulai stabil, pada model jembatan akan diberi gangguan keatas dengan menggunakan tongkat. Alat pemberian gangguan ditunjukkan pada gambar 12.
Gambar 12. Pemberian simpangan awal dengan dorongan tongkat
Setelah mendapat gangguan, model jembatan akan mengalami osilasi dan karena pengaruh dari efek redaman, amplitudo osilasi mengalami penurunan. Data time
domain dari modus heaving dan torsi akan diekstraksi kemudian juga nilai redaman
dan frekuensinya.
4 HASIL DAN PEMBAHASAN
Seperti telah diuraikan pada bab 3 perihal metoda dan teknik pengukuran pada bab ini diuraikan hasil-hasil pengukuran. Pertama-tama dari hasil pengukuran frekuensi natural dari sistem dengan menggunakan impact hammer. Hasil pengukuran dengan menggunakan software DeweFRF kita dapat memperoleh dan mengolah data untuk menghasilkan grafik frequency response function (FRF), dan kita dapat melihat modus getar dari setiap frekuensi, sehingga kita dapat menentukan letak frekuensi natural untuk modus heaving dan torsi. Berdasarkan hasil yang diperoleh seperti pada
Arah Angin
Arah Z
gambar 13 dapat ditentukan frekuensi natural untuk masing-masing gerak heaving dan
torsion.
- Frekuensi natural pertama dari gerak heaving model adalah 7.75 Hz - Frekuensi natural pertama dari gerak torsion model adalah 45.625 Hz
Gambar 13. Hasil Modal Measurement dari model
Selanjutnya dilakukan pengujian dengan variasi kecepatan angin yang ditiupkan didalam terowongan angin. Sebagai contoh hasil pengukuran peristiwa induksi resonansi pada sudut datang angin α=0o ditunjukkan pada gambar 14.
Gambar 14. Grafik Induksi resonansi pada model dek jembatan
Dari grafik tersebut diatas dapat diamati terjadinya resonansi gerak heaving pada kecepatan angin 4.4 m/s dan 5.2 m/s sedangkan gerak torsion terjadi pada kecepatan 27 m/s.
Kemudian dilakukan pengukuran untuk penentuan kecepatan angin kritis terjadinya flutter yang diprediksi dengan metoda Zimmerman [10]. Metoda ini diperoleh melalui perhitungan langsung dari data pengukuran frekuensi osilasi dan redaman masing-masing mode dari model selama mendapat aliran angin. Dengan metoda Fluter Margin, prediksi kemungkinan timbulnya flutter ditentukan dari ekstrapolasi kurva Flutter Margin (Fm) ke sumbu horizontal (Sumbu q – Tekanan dinamik) seperti terlihat pada gambar 14.
Gambar 14. Grafik penentuan flutter margin pada model dek jembatan
Dari kurva diatas dapat diperoleh perpotongan kurva F terhadap sumbu q sehingga didapat nilai tekanan dinamiknya. Selanjutnya dapat dihitung nilai kecepatan sebagai nilai kecepatan kritis terjadinya flutter. Dari hasil perhitungan nilai kecepatan flutter disajikan dalam table 2.
Tabel 2. Pengukuran kecepatan terjadinya flutter pada model dek jembatan
5 KESIMPULAN
Pengujian merupakan kebutuhan yang tidak terhindarkan. Penentuan nilai yang diharapkan memerlukan metoda dan teknik pengukuran yang tepat sejalan dengan perkembangan teknologi alat ukur yang tersedia. Teknik pengukuran respon dinamik memungkinkan diterapkan dibidang infrastruktur secara lebih luas.
Dalam makalah ini diuraikan metoda dan teknik pengukuran respon dinamik untuk menentukan flutter margin model dek jembatan. Dalam penentuan frekuensi natural digunakan metoda pengukuran impact hammer diikuti dengan pengukuran induksi resonansi dan penentuan flutter margin sistem dek jembatan. Respon dinamik sistem tersebut dengan baik dapat diukur dan ditunjukkan nilai-nilai secara kuantitatif sehingga bermanfaat di bidang keteknikan.
Secara umum pengembangan metoda dan teknik pengukuran bidang aeroelastisitas sudah diterapkan dalam mendukung kemajuan pembangunan infrastruktur dan sistem transportasi yang berkaitan dengan penelitian dan pengembangan pengukuran sistem respon dinamik.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Holmes, J.D., 2001, Wind Loading of Structures, Spon Press, London.
[2] Simiu, E. And Scanlan, RH., 1996, Wind effects on structures, 3rd. edition, John Wiley and Sons Inc., New York.
[3] Scanlan, RH.,1977, Theory of the wind analysis of long span bridges based on data obtainable from sectional model test, Proceedings of the International Conference on Wind Effects on Building and Structures, Cambridges University Press.
[4] Bae J et al., 2005, Extension of Flutter Prediction Parameter for Multimode Flutter Systems, Journal of Aircraft, Vol.42, No.1, pp.285-288.
[5] Subagyo 2013, Fasilitas Uji Terowongan Angin Kecepatan Rendah Indonesia, Jurnal Energi dan Manufaktur, vol. 6 no.1.
[6] Wardlaw, R. L., Tanaka, H. and Utsunomiya, 1983, H.,Wind Tunnel Experiments on the Effects of Turbulence on the Aerodynamic Behavior of Bridge Road Decks, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., Vol. 14, pp. 247_257.
[7] Rao, S.S., 1995. Mechanical Vibrations, 3rd edition, Addison-Wesley Publishing Company, New York.
[8] Subagyo 2014, Studi Parametrik pengaruh roughness terhadap profil kecepatan lapisan batas pada simulasi Atmospheric Boundary Layer di wind tunnel, Jurnal Teknologi Dirgantara, vol. 12 no.2.
[9] Sukamta, AJ., 2004, The use of sectional and full aeroelastic models, Personal Communication.
[10] Benneth, R.M, Application of Zimmerman Flutter Margin Criterion to A Wind Tunnel Model. NASA TM 84545.
