Download - PEMODELAN PELAT JEMBATAN DEK BAJA DENGAN …
1
PEMODELAN PELAT JEMBATAN DEK BAJA DENGAN PERKUATAN OVERLAY
BETON BERTULANG
Oleh:
Made Sukrawa1)
dan I Putu Harie Mahendra2)
1) DPD HPJI Bali, Dosen pada Jurusan Teknik Sipil Fak. Teknik Univ. Udayana
2) Mahasiswa pada Jurusan Teknik Sipil Fak. Teknik Univ. Udayana
E-mail: [email protected]
ABSTRAK
Model Elemen Hingga (MEH) dari pelat jembatan dek baja dengan perkuatan overlay beton
bertulang telah dibuat, guna memprediksi perilaku lentur pelat yang telah diuji sebelumnya. Pelat
dasar sebagai control dalam skala 1:2 berukuran 500 x 1400 mm, dengan kuat tekan beton 25
MPa dengan dek baja bergelombang tinggi 50 mm dan tebal 1 mm. Beton overlay yang
digunakan adalah 35 MPa dengan ketebalan 35 mm dengan tulangan. Untuk itu telah dibuat 6
buah model yang meliputi: Model pelat kontrol (MPK); Model perkuatan dengan tebal overlay
35, 25, dan 15 mm (MPT35, MPT25, MPT15); Model perkuatan dengan mutu beton overlay 30
dan 25 MPa (MPFC30 dan MPFC25). Dek baja dimodel menggunakan elemen shell dan beton
dimodel dengan elemen solid, sedangkan baja tulangan dimodel dengan elemen frame.
Hasil analisis menunjukkan bahwa MEH mampu menirukan perilaku lentur pelat dengan baik,
terutama pada pembebanan rendah dan sedang, sedangkan pada tingkat pembebanan yang lebih
tinggi MEH menunjukkan kekuatan dan kekakuan yang lebih besar dari hasil uji laboratorium.
Pengaruh ketebalan dan kuat tekan beton overlay juga dapat diprediksi dengan baik pada MEH.
Kata kunci : Pemodelan Elemen Hingga, Perkuatan, Overlay beton, Pelat jembatan, Dek baja
MODELLING OF BRIDGE STEEL DECK STRENGTHENED WITH REINFORCED
CONCRETE OVERLAY
ABSTRACT
Finite Element Model (FEM) of corrugated steel deck slab for bridges strengthened with
reinforced concrete overlay has been made to predict flexural behavior of previously tested slab.
The size of base slab in 1:2 scale is 500 by 1400 mm with concrete strength of 25 MPa and steel
deck of 50 mm high and 1 mm thick. The overlay concrete used in laboratory testing was 35 MPa
of 35 mm thick with steel reinforcement. For that purpose, 6 models was created consist of: Base
slab model (MPK); Strengthened model with overlay thickness of 35, 25, and 15 mm (MPT35,
MPT25, MPT15); Strengthened model with concrete overlay of 30 and 25 MPa (MPFC30 and
MPFC25). The steel deck is modeled using shell element while solid element is used for concrete
and frame element is used for steel reinforcement.
Results showed that FEM can mimic flexural behavior of deck slab, particularly at lower and
medium load level, while at higher load, stronger and stiffer response was observed. The effect of
overlay concrete thickness and strength are also well predicted in FEM.
Keywords: Finite Element Model, Retrofitting/Strengthening, Concrete overlay, Bridge deck, Steel
deck.
1. PENDAHULUAN
2
Pelat jembatan yang menerima beban langsung akibat lalu lintas sering mengalami kerusakan
akibat beban yang melampaui kapasitasnya ataupun akibat pengaruh lingkungan dan umurnya
yang sudah tua. Seringkali terjadi bahwa, komponen struktur utama jembatan yang mendukung
pelat masih dalam keadaan baik. Untuk itu diperlukan penanganan berupa penggantian ataupun
perkuatan pelat jembatan guna memperpanjang umur layan jembatan tersebut. Untuk kerusakan
ringan sampai sedang, penanganan berupa perkuatan akan lebih menguntungkan dari segi
efisiensi anggaran yang terbatas.
Salah satu metode perkuatan pelat yang banyak dilakukan adalah dengan menambah ketebalan
pelat dengan lapisan overlay berupa beton modifikasi latex ataupun beton biasa dengan dan
tanpa tulangan. FHWA (1998) melaporkan tentang pemakaian beton dengan kecepatan pengeringan
sangat tinggi (very early strength, VES) untuk overlay jembatan di Virginia-USA. Untuk kerusakan
ringan, keseluruhan proses overlay memerlukan waktu hanya 8 jam, suatu rekor kecepatan yang
menakjubkan dan cocok diterapkan pada ruas jalan yang padat lalu-lintas.
Penelitian berupa pengujian fisik di laboratorium tentang pelat jembatan dengan perkuatan
overlay beton bertulang menunjukkan peningkatan kekuatan dan kekakuan yang sangat berarti
(Suasira et al., 2010 dan Sukrawa et al., 2010). Namun disadari bahwa, karena keterbatasan
fasilitas dan sumber daya yang ada, beberapa variabel penting tidak dapat diamati dalam
pengujian laboratorium ini. Disamping itu, pengujian fisik memerlukan waktu dan biaya yang
cukup banyak. Untuk itu perlu dilakukan penelitian analitis berupa pemodelan elemen hingga
agar lebih banyak variabel yang bisa diteliti dengan waktu dan biaya yang terbatas.
Dalam paper ini dibahas tentang pemodelan pelat jembatan dek baja yang diperkuat dengan
overlay beton bertulang. Variabel yang diamati berupa ketebalan dan kuat tekan beton overlay.
Variasi kuat tekan ini merupakan representasi dari kekuatan beton yang meningkat seiring
pertambahan umurnya. Sebagai acuan dalam pemodelan elemen hingga digunakan data
penelitian laboratorium berupa dimensi pelat uji, mutu bahan, dan detail pembebanannya seperti
yang dilaporkan dalam Sukrawa et al. (2010).
2. TINJAUAN PUSTAKA
Kerusakan Pelat Jembatan Dek Baja
Di Indonesia terdapat lebih dari 3000 jembatan rangka batang baja dengan pelat lantai kendaraan
berupa dek metal yang disamping berfungsi sebagai tulangan positif juga berfungsi sebagai
3
perancah permanen. Hidayat (2003) menyatakan bahwa 50% dari jembatan rangka baja tersebut
mengalami kegagalan pelat lantai kendaraan. CSD yang banyak digunakan pada jembatan rangka
di Indonesia memiliki dimensi tinggi 100 mm, tebal 2 mm dengan tebal pelat komposit sekitar
170 – 190 mm dengan ketebalan beton minimum 70 mm (Anonim, 1986). Pelat yang tipis
seperti ini sangat potensial mengalami kegagalan geser dua arah akibat beban roda truk. Sebagai
gambaran, pengecekan geser dua arah akibat beban roda menurut BMS memerlukan tebal pelat
minimum 120 mm (Sukrawa, 2003). Untuk itu diperlukan pelat yang lebih tebal untuk menahan
beban terpusat akibat lalu-lintas.
Metode Perkuatan Pelat dengan Overlay Beton
Metode perkuatan pelat dengan overlay beton sudah biasa dilaksanakan di USA dan Negara lain,
untuk melapisi pelat jembatan yang mengalami kerusakan ringan seperti retak-retak, mengalami
pengelupasan (spalling) bagian atas, maupun pada pelat yang mengalami kerusakan sedang
(FHWA, 1998). Beton khusus dengan kecepatan pengeringan sangat tinggi banyak digunakan
pada jembatan dengan volume lalu-lintas padat. Keberhasilan metode perkuatan ini telah
dilaporkan dalam berbagai publikasi sebagaimana dirangkum dalam Sukrawa, et al. (2010).
Jembatan di Indonesia lebih banyak dioverlay dengan aspal beton yang berfungsi sebagai lapisan
aus, bukan sebagai perkuatan pelat karena tidak adanya aksi komposit antara beton dengan aspal.
Penelitian tentang perkuatan pelat dengan dek baja yang banyak mengalami kegagalan memang
belum banyak dilaporkan sehingga menarik untuk dikaji.
Data Pengujian Laboratorium
Pengujian laboratorium tentang pelat dek baja dengan perkuatan overlay beton bertulang telah
dilakukan pada Laboratorium Struktur, Fakultas Teknik Universitas Udayana (Sukrawa et al.,
2010). Data pengujian ini digunakan sebagai acuan dalam pemodelan elemen hingga. Berikut
adalah ringkasan data pelat yang diuji di laboratorium tersebut.
Mutu beton pelat dasar adalah f’c 25 MPa, sedangkan mutu beton untuk perkuatan overlay
dibuat lebih tinggi yakni f’c 35 MPa. Tulangan longitudinal pelat menggunakan baja polos
dengan diameter masing-masing mm dan mm. Untuk dek baja digunakan Smartdek BMT 1
mm dengan fy 550 MPa dan tulangan wiremesh M5 dengan fy 550 MPa.
Pada penelitian laboratorium digunakan 4 (empat) jenis benda uji, PK, PP3H, PP7H dan PP28H,
masing-masing terdiri dari 3 (tiga) buah pelat satu arah menerus di atas tiga perletakan, dalam
skala 1:2. Angka 3, 7 dan 28 menunjukkan umur beton overlay saat pengujian. PK berupa pelat
4
kontrol tanpa overlay, sedangkan PP adalah pelat dengan perkuatan overlay beton. Overlay
direncanakan setebal 35 mm (70 mm dalam skala penuh) sesuai dengan ketebalan rencana
lapisan aus. Untuk memperoleh lekatan yang kuat antara pelat lama dengan overlay maka
digunakan penghubung geser berupa baut. Disamping itu, permukaan pelat lama juga dikasarkan
dengan gerinda dan dilapisi dengan bonding agent sebelum beton overlay dicor. Dengan
demikian diharapkan terjadi aksi komposit penuh antara pelat lama dengan beton overlay.
Benda uji dengan skala panjang ½ memiliki ukuran panjang 1400 mm, lebar 500 mm dan tebal
95 mm. Tulangan pelat dasar adalah 5 6 mm pada sisi atas dan 5 4,8 mm pada sisi bawah.
Garis tengah perletakan pinggir direncanakan 25 mm dari tepi pelat. Gambar 1 menunjukkan
potongan melintang pelat dengan detail penulangan pada pelat dasar dan pada lapisan overlay.
Gambar 1. Detail penulangan benda uji dengan perkuatan overlay
Instrumentasi dan Uji Pembebanan
Dalam pengujian di Laboratorium beban yang digunakan adalah dua beban garis sebagai
simulasi dari beban lalu-lintas. Lendutan pelat diukur dengan dial gauge dan dicatat untuk setiap
level pembebanan sebesar 1 kN. Skema pengujian lentur pelat dapat dilihat pada Gambar 2.
5
Gambar 2. Skema pengujian Laboratorium, posisi beban dan instrumentasi
Hasil Pengujian
Hasil pengujian dalam bentuk grafik hubungan beban-lendutan seperti disajikan pada Gambar 3.
Dilaporkan bahwa pada pembebanan yang relatif masih rendah terjadi delaminasi antara dek baja
dengan beton pada tepi pelat sehingga terjadi kehilangan sebagian aksi komposit. Hal ini terjadi
karena labar pelat yang diuji rleatif kecil (500 mm) dibandingkan dengan lebar pelat yang
sesungguhnya.
Gambar 3. Grafik beban-lendutan pelat dasar (PK) dan pelat dengan perkuatan (PP)
6
Disamping lebar pelat yang kecil, keterbatasan kapasitas alat uji yang digunakan menghasilkan
grafik beban lendutan pelat dengan perkuatan yang lebih pendek, dimana pengujian dihentikan
sebelum pelat mengalami keruntuhan. Namun demikian nampak jelas bahwa, pelat yang
diperkuat dengan overlay beton memiliki kekakuan dan kekuatan yang jauh lebih besar dari pelat
kontrol.
3. PEMODELAN ELEMEN HINGGA
Metode Elemen Hingga merupakan salah satu metode pemodelan struktur yang digunakan secara
luas karena dalam kasus-kasus tertentu, metode ini sangat handal untuk memprediksi perilaku
struktur dalam kondisi elastis maupun pasca elastis. Struktur pelat dapat dimodel dengan elemen
shell yang merupakan elemen dua dimensi dengan ketebalan tertentu (tidak dimodel). Dalam
paper ini pelat dimodel dengan elemen solid 3-D agar interaksi komposit antara pelat beton
dengan beton overlay dapat dimodel dengan baik. Dalam penelitian ini digunakan Program SAP
2000 ver.14.
Pada Program SAP2000, element solid merupakan element dengan delapan nodal yang
digunakan untuk memodel struktur padat (solid). Element ini mempunyai enam permukaan,
dimana tiap-tiap permukaan dihubungkan dengan titik nodal seperti yang ditampilkan pada
Gambar 4. Setiap element solid mempunyai sistem koordinat lokal tersendiri untuk
mendefinisikan sifat bahan dan beban, dan juga untuk menafsirkan hasil analisis yang
dikeluarkan. Tegangan-tegangan yang terjadi di sistem koordinat lokal element dievaluasi pada
titik yang terintegrasi dan diekstrapolasi ke setiap joint pada element.
7
Gambar 4. Element Solid
Karakteristik lain yang perlu diperhatikan dalam pemodelan struktur beton adalah modulus
elastisitas beton. Menurut SNI 03-2847-2002 modulus elastisitas untuk beton dianggap linier
sebesar:
Ec = (4700)
Dimana, Ec adalah modulus elastisitas beton (Mpa), f’c adalah kuat tekan beton (Mpa). Dalam
pemodelan ini digunakan nilai E yang non-linier, yang dihitung dari grafik hubungan tegangan
regangan beton untuk berbagai kuat tekan beton (Mehta dan Monteiro, 1993). Nilai E dibagi
menjadi 4 bagian yaitu E1, E2, E3 dan E4. Untuk pelat dasar dengan f’c 25 MPa nilai E yang
digunakan bervariasi dari 25.000 MPa pada tahap awal sampai dengan 11.200 MPa pada tahap
akhir. Untuk beton overlay 35 MPa, nilai E bervariasi dari 25.000 MPa sampai 16.250 MPa.
Langkah-langkah Pemodelan
1. Menetapkan Properti Material
Pada tahap ini dilakukan penentuan karakteristik material dengan memasukan data-data
material seperti mutu beton (f’c), mutu baja tulangan dan dek baja (fy).
2. Menentukan geometri model sesuai dengan dimensi pelat yang diuji di laboratorium
Dek baja dimodel menggunakan elemen shell dengan fy 550 MPa tebal 1 mm. Baja tulangan
dimodel menggunakan elemen frame dengan fy 320 MPa. Pelat beton dimodel dengan solid
elemen dengan ukuran yang disesuaikan dengan posisi tulangan dan beban. Model pelat
dalam bentuk 3-D diperoleh dengan mengekstrude elemen area sesuai dengan panjang pelat
8
dan dibagi menjadi beberapa element solid. Setelah area diekstrud menjadi element solid,
maka area tersebut dihilangkan. Dalam penodelan ini, tulangan pada bagian bawah pelat
tidak dimodel karena tegangan tarik yang terjadi dipikul oleh dek baja.
3. Meshing Area
Sebelum melakukan proses Meshing Area, terlebih dahulu dilakukan penambahan element
shell ke bagian bawah pelat dimana posisi metal dek yang sebenarnya. Pelat 3D tersebut
ditempel dengan dek baja yang dimodel menggunakan elemen shell. Selanjutnya dilakukan
proses mesh area pada element shell agar antara elemen solid dan shell saling terhubung.
Setelah model lengkap maka dilanjutkan dengan penentuan perletakan berupa tiga
perletakan sendi.
4. Menentukan Pembebanan
Analisis struktur pelat menggunakan dua macam beban (load case) yaitu beban mati dan
beban hidup. Beban mati terdiri dari berat sendiri pelat yang langsung dihitung oleh
software. Sedangkan beban hidup pada pemodelan ini berupa beban terpusat sebagai asumsi
dari roda belakang truk. Beban dikerjakan pada titik-tiki tertentu pada pelat sesuai data uji
laboratorium.
Variasi Model
Sebagai langkah awal dalam pemodelan ini dibuat model pelat kontrol tanpa perkuatan (MPK)
untuk dibandingkan dengan hasil uji di laboratorium. Kemudian dibuat model pelat dengan
perkuatan (MPP) dengan tebal lapisan overlay 35 mm. Langkah selanjutnya dibuat model
dengan variasi ketebalan beton overlay yakni 25 mm dan 15 mm, yakni MPT25 dan MPT15,
dengan mutu beton tetap (25 MPa untuk pelat dasar dan 35 MPa untuk beton overlay). Model
berikutnya menggunakan mutu beton overlay yang berbeda-beda yakni 30 MPa dan 25 MPa,
(MPFC30 dan MPFC25), dengan tebal overlay tetap 35 mm. Dengan membandingkan hasil dari
berbagai model di atas diharapkan diperoleh suatu kesimpulan dan saran yang bermanfaat bagi
praktek perkuatan pelat dengan overlay beton. Gambar 5 menunjukkan contoh model tiga
dimensi pelat dasar, sedangkan Gambar 6 menunjukkan model yang sudah berdeformasi.
9
Gambar 5. Model pelat 3-D dengan pembebanan
Gambar 6. Model pelat yang mengalami deformasi akibat pembebanan
Grafik hubungan antara beban dan lendutan pelat dasar (MPK) dan pelat perkuatan (MPP)
disajikan dalam Gambar 7 bersama-sama dengan data hasil uji laboratorium. Dari Gambar 7
terlihat bahwa MEH mampu memodel perilaku lentur pelat dengan baik dimana MEH sedikit
lebih kuat dan kaku setelah pelat uji mengalami delaminasi yang terjadi pada beban sekitar 65
kN pada PK dan 110 kN pada PP. Dalam kondisi normal (tidak terjadi delaminasi) maka prediksi
MEH tampak sangat rasional.
10
Gambar 7. Grafik beban-lendutan MPK dan MPP vs PK-Lab dan PP-Lab
Pada Gambar 8 disajikan grafik hubungan antara beban dan lendutan pelat perkuatan dengan
variasi ketebalan overlay bersama-sama dengan data hasil uji laboratorium pelat perkuatan (tebal
overlay 35 mm). Tampak bahwa MEH mampu memodel perilaku lentur pelat dengan baik
dimana kekuatan dan kekakuan pelat meningkat seiring dengan pertambahan tebal beton overlay.
MEH sedikit lebih kuat dan kaku setelah pelat uji mengalami delaminasi pada beban sekitar 110
kN.
Variasi kuat tekan beton overlay ditunjukkan dalam Gambar 9. Tampak bahwa pengaruh kuat
tekan beton overlay setara dengan pengaruh tebalnya. Hal ini terlihat dari kemiripan grafik pada
Gambar 8 dan Gambar 9. Ini menunjukkan bahwa selain tebal overlay, mutu beton overlay juga
penting dalam metode perkuatan ini. Dalam aplikasinya di lapangan, mutu beton overlay yang
berbeda-beda merupakan indikasi dari kuat tekan beton selama proses pengeringan. Agar proses
pelaksanaan overlay lebih singkat maka harus digunakan beton dengan kuat tekan awal yang
tinggi.
11
Gambar 8. Grafik beban-lendutan MP dengan variasi tebal overlay
Gambar 9. Grafik beban-lendutan MP dengan variasi mutu beton overlay
12
4. SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Dari hasil dan pemodelan yang telah dilakukan, dapat ditarik kesimpulan yaitu:
1. Model Elemen Hingga dengan SAP2000 v14 mampu menirukan perilaku lentur pelat
dengan baik dengan kecendrungan bahwa MEH menghasilkan kekuatan dan kekakuan
pelat yang lebih besar dari hasil pengujian di laboratorium.
2. Variasi tebal dan kuat tekan beton overlay menunjukkan pengaruh yang setara sehingga
kedua faktor tersebut penting untuk diperhatikan dalam metode perkuatan dengan overlay
beton.
3. MEH memberikan respon struktur yang sangat rasional sehingga dapat digunakan dalam
perencanaan perkuatan pelat menggunkan overlay beton.
Saran
Perlu penelitian lebih lanjut menggunakan hasil uji yang lebih lengkap sebagai acuan dan
menggunakan software lain yang mampu memodel lekatan antara dek baja dengan beton serta
lekatan antara beton lama dengan overlay.
DAFTAR PUSTAKA
1. Anonim. 1986. Manual for Assembly and Erection of Steel Spans. IBRD Highway Betterment
Project I. Departemen Pekerjaan Umum.
2. Hidayat, L. 2003. Mengapa Lantai Jembatan Rangka Baja Cepat Rusak. Seminar Sehari
Kerusakan Lantai Jembatan dan Metode Perbaikan. Balitbang DPU.
3. Mehta, P.K. and Monteiro, P.J.M. 1993. Concrete Structure, Properties, and Materials. Second
Edition. Prentice Hall.
4. Sukrawa, M., Sudarsana, IK., Dana, IW. 2010. Perkuatan Pelat Jembatan Dek Baja Dengan
Overlay Beton Bertulang. Laporan Penelitian Strategis Nasional, Universitas Udayana.
5. Sukrawa, M. 2010. Kajian Tentang Perkuatan Pelat Lantai Jembatan Dengan Overlay Beton.
KRTJ-11 Wilayah Timur 27 Juni – 1 Juli 2010 Nusa Dua Bali
6. Sukrawa, M. 2003. Laporan Perencanaan Perkuatan Jembatan Tukad Bindu di Denpasar dan
Jembatan Tukad Yeh Empas di Tabanan - Bali. Kerjasama Fakultas Teknik dengan Pemprov Bali
(Dinas Pekerjaan Umum).
7. Suasira, W., Sukrawa, M. dan Sudarsana, K. (2010). “Pengujian Laboratorium Pelat Beton
Bertulang yang Diperkuat dengan Overlay Beton” Konteks 4 di Sanur-Bali, 2-3 Juni 2010.
8. FHWA, 1998. Federal Highway Administration's FOCUS newsletter. September 1998 Edition.
MadeSukrawa_3by Made Sukrawa
Submission date: 14-Dec-2018 08:53AM (UTC+0700)Submission ID: 1056764096File name: 83f 6f 0b4a111daf 48f 83a5a978be70be.pdf (411.67K)Word count: 2689Character count: 15774
19%SIMILARITY INDEX
19%INTERNET SOURCES
1%PUBLICATIONS
1%STUDENT PAPERS
1 15%
2 1%
3 1%
4 1%
5 <1%
6 <1%
7 <1%
8 <1%
MadeSukrawa_3ORIGINALITY REPORT
PRIMARY SOURCES
www.dosen.narotama.ac.idInternet Source
docplayer.infoInternet Source
pt.scribd.comInternet Source
www.mcaq.com.auInternet Source
Submitted to Udayana UniversityStudent Paper
journals.itb.ac.idInternet Source
eprints.undip.ac.idInternet Source
edoc.siteInternet Source
Exclude quotes Of f
Exclude bibliography On
Exclude matches Of f