3.1 LEDAKAN DAN FENOMENA LEDAKAN

Secara umum, sebuah ledakan adalah hasil dari pelepasan sejumlah besar

energi yang sangat cepat dalam ruang yang terbatas. Ledakan dapat dikategorikan

berdasarkan sifat dari terjadinya ledakan tersebut, yaitu ledakan yang terjadi secara

alamiah, ledakan nuklir dan ledakan kimia.

Dalam ledakan alamiah: - Energi dapat dilepaskan dari bencana letusan gunung

berapi, ledakan dari gas yang terkompresi, atau bahkan pencampuran dua cairan pada

suhu yang berbeda.

Dalam ledakan nuklir: - Energi dilepaskan dari pembentukan inti atom yang berbeda

oleh redistribusi dari proton dan neutron dalam inti atom.

Dalam ledakan kimia: - Oksidasi cepat dari elemen bahan bakar (karbon dan atom

hidrogen) menjadi sumber utama energi ledakan.

Jenis ledakan berdasarkan tempat terjadinya ledakan dapat diklasifikasikan:

a. Ledakan yang terjadi di udara.

b. Ledakan yang terjadi pada suatu ketinggian.

c. Ledakan yang terjadi di bawah air.

d. Ledakan yang terjadi di bawah tanah.

e. Ledakan yang terjadi pada permukaan bumi.

Dalam pembahasan ini hanya terbatas pada ledakan yang terjadi di udara dan

pada permukaan. Informasi tersebut kemudian digunakan untuk menentukan beban

dinamis pada struktur permukaan yang mengalami beban ledakan contohnya seperti

tekanan ledakan dan kemudian merancang struktur berdasarkan informasi yang ada.

Perlu ditekankan bahwa struktur yang ada pada permukaan bumi tidak dapat

dilindungi dari ledakan bom nuklir, akan tetapi struktur itu bisa, dan seharusnya

dirancang untuk menahan tekanan ledakan ketika berada di beberapa jarak dari titik

pecahnya ledakan.

Kerusakan yang terjadi akibat senjata nuklir jauh lebih parah dibanding

dengan senjata konvensional hubungannya dengan akibat ledakan atau goncangan

gelombang kejut. Semburan udara sampai pada ketinggian 100.000 ft dengan

perkiraan distribusi energi akan terdiri dari 50% ledakan dan shock, 35% radiasi

termal, 10% radiasi nuklir dan 5% sisa radiasi nuklir awal.

Pelepasan energi secara tiba-tiba menghasilkan gelombang tekanan dalam

medium sekitarnya, yang dikenal sebagai gelombang kejut seperti yang ditunjukkan

1

dalam Gambar.3.1 (a). Ketika ledakan terjadi, pemuaian gas panas menghasilkan

gelombang tekanan di udara sekitarnya. Dan ketika gelombang ini bergerak menjauh

dari pusat ledakan, bagian dalam bergerak melalui daerah yang sebelumnya

dipadatkan dan dipanaskan oleh bagian gelombang sebelumnya. Gelombang tekanan

bergerak dengan kecepatan suara, suhu berkisar 3000o-4000oC dengan tekanan hampir

300 kilobar udara menyebabkan kecepatan gelombang ini meningkat. Bagian dalam

gelombang mulai bergerak lebih cepat dan secara bertahap menyusul bagian

terkemuka gelombang. Setelah waktu singkat gelombang tekanan depan secara tiba-

tiba membentuk sebuah gelombang kejut depan, seperti pada Gambar.3.1 (b).

Tekanan tinggi maksimum Itu terjadi pada gelombang kejut depan dan disebut puncak

tekanan tinggi. Dibalik gelombang kejut depan, tekanan tinggi turun sangat cepat

sekitar satu setengah tekanan tinggi puncak dan

tetap hampir seragam di kawasan pusat ledakan.

Gambar.3.1 (a) Variasi tekanan dengan jarak

2

Gambar.3.1 (b) Formasi gelombang kejut depan pada gelombang kejut.

Gambar.3.1 (c) Variasi dari tekanan tinggi dengan jarak beberapa kali dari pusat

ledakan.

Sebuah hasil perluasan, tekanan tinggi pada gelombang kejut depan terus menurun;

tekanan di belakang tidak tetap konstan, tetapi sebaliknya, turun secara teratur.

Setelah beberapa waktu, pada jarak tertentu dari pusat ledakan, tekanan di belakang

gelombang kejut depan menjadi lebih kecil dari atmosfir yang melingkupi dan disebut

fase-negatif atau fase hisap.

3

Bagian depan gelombang ledakan kemudian melemah, dan kecepatannya

berkurang terhadap kecepatan suara pada atmosfer yang terganggu. Urutan peristiwa

ini dapat dilihat dalam Gambar.3.1 (c), menunjukkan tekanan tinggi pada saat t1, t2…

t6. Dalam gambar t1 sampai dengan t5, tekanan dalam ledakan tersebut tidak jatuh di

bawah atmosfer. Dalam kurva t6 di beberapa

jarak di belakang gelombang kejut depan, tekanan tinggi menjadi negatif. Lebih

jelasnya dapat dilihat pada Gambar.3.2 (a).

Gambar.3.2 (a) variasi dari tekanan tinggi dengan jarak pada waktu tertentu dari pusat

ledakan.

4

Gambar.3.2 (b) Variasi dari tekanan tinggi dengan jarak pada waktu dari ledakan.

Gambar.3.2 (c) Variasi tekanan dinamis dengan jarak pada waktu dari ledakan.

Variasi waktu gelombang ledakan yang sama pada jarak tertentu dari ledakan

dapat dilihat pada Gambar 3.2 (b); menunjukkan durasi waktu dari fase positif dan

juga waktu pada akhir fase positif. Kuantitas lain yang setara pentingnya adalah gaya

5

yang berkembang dari angin yang kuat atas gelombang ledakan yang dikenal sebagai

tekanan dinamis; ini sebanding dengan kecepatan angin dan kepadatan udara di

belakang gelombang kejut depan. Variasi tekanan dinamis pada jarak tertentu dari

ledakan ditampilkan pada Gambar.3.2 (c).

Secara matematis tekanan Pd dinamis dinyatakan sebagai.

Pd=12

ρu2..................................... 1

Dimana : u adalah kecepatan dari partikel udara dan

ρ adalah densitas/kepadatan udara

Puncak tekanan dinamis berkurang dengan semakin jauh jaraknya dari pusat

ledakan, namun tingkat penurunan berbeda dengan puncak tekanan tinggi akibat

ledakan. Pada jarak tertentu dari ledakan, variasi waktu Pd dinamis di belakang

gelombang kejut depan mirip dengan yang dari Ps tekanan tinggi, tetapi tingkat

penurunannya biasanya berbeda. Dan untuk tujuan desain, fase negatif dari tekanan

tinggi akibat ledakan pada Gambar.3.2 (b) dapat dianggap tidak penting sehingga

dapat diabaikan.

Beban ledakan dan beban tumbukan adalah transien atau bekerja sementara,

atau beban yang diterapkan secara dinamis sebagai satu-setengah siklus amplitudo

tinggi, durasi ledakan udara pendek atau kontak dan transfer energi terkait

getaran. Beban transien ini diterapkan hanya untuk kasus yang spesifik dan biasanya

dalam waktu singkat pada saat terjadi beban akibat bahan peledak, biasanya kurang

dari sepersepuluh detik.

Seringkali, desain untuk menahan akibat dari beban ledakan, beban tumbukan

dan beban yang luar biasa lainnya harus dipikirkan dalam desain demi konteks

keselamatan hidup.

Beban ledakan berbeda dari beban seismik/gempa.

Beban ledakan diterapkan secara signifikan selama periode waktu yang lebih

singkat dibandingkan dengan beban seismik/gempa. Dengan demikian, tingkat efek

regangan dari material menjadi kritis dan harus dihitung untuk memprediksi kinerja

sambungan untuk beban berdurasi pendek seperti beban ledakan bahan peledak.

Juga, beban ledakan umumnya terjadi pada struktur secara tidak seragam, yaitu, akan

ada variasi amplitudo beban di muka gedung, dan secara dramatis mengurangi beban

ledakan pada bagian samping dan belakang gedung yang jauh dari sumber ledakan.

6

Gambar 3.3 menunjukkan perbandingan umum antara catatan percepatan tanah 7 km

dari titik dari pusat gempa Northridge tahun 1994 dan prediksi

beban ledakan pada kolom akibat pemboman di Kota Oklahoma, Amerika Serikat

pada tahun 1995.

Hal ini jelas bahwa getaran tanah selama 12 detik pada saat gempa Northridge

berlangsung sekitar 1000 kali lebih lama dari 9 milidetik ledakan bahan peledak pada

Gedung Murrah, Oklahoma. Pengaruh beban ledakan pada umumnya berlaku

setempat, menyebabkan kerusakan secara parah atau kegagalan struktur lokal.

Sebaliknya, "beban" seismik yang terjadi seragam gerakan tanah di dasar atau pada

pondasi suatu struktur bangunan, maka semua komponen dalam struktur akan terkena

dampak "bergetar" terkait dengan gerakan ini.

(a) Respon pembebanan gempa pada struktur.

7

(b) Respon pembebanan ledakan pada struktur.

Gambar.3.3. Perbandingan antara beban gempa dan beban ledakan

3.2 BEBAN LEDAKAN DI UDARA

Akibat dari ledakan bahan peledak/bom secara konvensional dipengaruhi oleh

dua unsur yang penting, yaitu ukuran bahan peledak, atau berat berat bahan peledak

W, dan jarak (R) antara sumber ledakan dan target ledakan (Gambar.3.4). Sebagai

contoh, ledakan terjadi pada basement World Trade Centre pada tahun 1993 sebagai

akibat dari meledaknya bahan peledak jenis TNT seberat

816,5 kg. Bom Oklahoma pada tahun 1995 memiliki berat 1814 kg dengan jarak

4,5m.

Pada Gambar 3.2.(a), dua tahap utama dapat kita lihat; bagian atas

ambien disebut durasi dari fase positif (td), sedangkan ambien bawah disebut fase

durasi negatif (td-). Fase negatif adalah durasi yang lebih lama dan memiliki intensitas

yang lebih rendah dari durasi positif. Ketika jarak antara (Stand-off Distance) menjadi

dekat, durasi fase-positif ledakan gelombang meningkat dan pada amplitudo-lebih

rendah, menghasilkan getaran gelombang kejut yang berdurasi lama. Beban ledakan

yang terletak sangat dekat dengan struktur akan menciptakan intensitas tekanan

impulsif yang sangat tinggi di atas struktur; sebaliknya jika beban ledakan terletak

jauh akan menghasilkan intensitas-rendah, kemudian dengan durasi seragam yang

lama distribusi tekanan akan melalui keseluruhan struktur. Akhirnya, seluruh struktur

8

tenggelam di dalam gelombang kejut, dengan refleksi dan efek difraksi membuat zona

pantulan (reflected) dalam pola yang kompleks di sekitar struktur.

STAND-OFF DISTANCE

Jarak antara, merujuk pada jarak antara target (struktur) dan senjata (ledakan bahan

peledak).

HEIGHT OF BURST (HOB)

Tinggi ledakan mengacu pada serangan udara. Ini adalah jarak langsung antara bahan

peledak yang meledak di udara dan target peledakan.

Gambar 3.4: Beban Bom pada Bangunan.

Jika dinding eksterior bangunan mampu menahan beban ledakan, gelombang

kejut depan akan menembus melalui jendela dan bukaan pintu, menerobos lantai,

plafon, dinding, dan seluruh isi gedung, dan juga mengenai manusia didalamnya.

Komponen bangunan yang tidak mampu menahan gelombang ledakan akan patah dan

9

terfragmentasi lebih lanjut kemudian terlempar oleh tekanan dinamis yang mengikuti

gelombang kejut depan. Dengan cara ini ledakan akan merambat ke seluruh

bangunan.

3.2.1 HUKUM SKALA GELOMBANG LEDAKAN

Semua parameter ledakan tergantung pada jumlah energi yang dilepaskan oleh

bahan peledak dalam bentuk gelombang ledakan dan jarak dari ledakan. Sebuah

deskripsi normal secara umum dari efek ledakan dapat diberikan oleh skala relatif

jarak ke (E / Po) 1 / 3 dan tekanan skala relatif terhadap Po, di mana E adalah pelepasan

energi (kJ) dan Po adalah tekanan (biasanya sebesar 100 kN/m2). Untuk

penyeragaman berat bahan peledak dasar atau W sebagai massa yang setara dengan

bahan peledak sejenis TNT. Hasil tersebut kemudian diberikan

sebagai fungsi dari dimensi parameter jarak,

Skala Jarak antara ( Z )= R

W 1/3 ..................................... 2

Dimana : R adalah jarak efektif aktual dari ledakan.

W biasanya dinyatakan dalam kilogram.

Hukum skala jarak memberikan korelasi parameter antara ledakan tertentu dan

substansi bahan peledak yang sama.

3.2.2 PREDIKSI TEKANAN BAHAN PELEDAK

Parameter gelombang ledakan untuk bahan peledak tinggi konvensional telah

menjadi fokus dari sejumlah penelitian selama tahun 1950-an dan 1960-an.

Estimasi puncak tekanan tinggi akibat dari ledakan berdasarkan skala jarak

( Z )= R

W 1/3 diperkenalkan oleh Brode (1955) sebagai:

PSO=6.7

Z3+1 ¿̄ (PSO>1 ¿̄ ¿) ..................................... (3.a)

PSO=0.975Z

+ 1.455

Z2+ 5.85

Z3−0.019 ¿̄ (0.1<PSO<10 ¿̄)................................... (3.b)

Pada tahun 1961, Newmark dan Hansen memperkenalkan hubungan untuk

menghitung tekanan maksimum ledakan akibat bahan peledak (PSO), dalam satuan bar

10

(1 bar = 100.000 pascal (Pa)), dengan meledakkan bahan peledak tinggi pada

permukaan tanah sebagai:

PSO=6784WR3 +93( W

R3 )1/2

.....................................(4)

Pada tahun 1987, Mills memperkenalkan puncak tekanan tinggi akibat ledakan dalam

satuan kPa, di mana berat bahan peledak W adalah setara dengan berat dalam satuan

kilogram TNT dan Z adalah skala jarak antara.

PSO=1772

Z3−144

Z2+ 108

Z ..................................... (5)

Sebagai akibat dari penjalaran gelombang ledakan yang melalui atmosfer, udara di

belakang gelombang kejut depan bergerak keluar pada kecepatan yang lebih rendah.

Kecepatan partikel udara, dan tekanan angin, tergantung pada puncak tekanan tinggi

akibat gelombang ledakan. Kecepatan udara ini kemudian dikaitkan dengan tekanan

dinamis, q(t). Nilai maksimum, q(s), diberikan oleh persamaan

q (s )=5 PSO 2/2(PSO+7 PO).....................................(6)

Jika gelombang ledakan menemui rintangan yang tegak lurus terhadap arah

rambatannya, pantulannya akan meningkatkan tekanan tinggi ledakan sampai

mencapai tekanan akibat pantulan yang maksimum Pr:

Pr=2 PSO{7PO+4 PSO

7 PO+PSO}.....................................(7)

Grafik untuk memprediksi hubungan tekanan akibat ledakan dan waktu (durasi)

ledakan oleh Mays dan Smith (1995) dan TM5-1300 (1990). Beberapa nilai numerik

yang mewakili puncak tekanan tinggi pantulan ledakan diberikan dalam Tabel 3.1.

Tabel 3.1. Puncak tekanan tinggi pantulan ledakan Pr (dalam MPa) dengan kombinasi

W-R yang berbeda

W 100 kg

TNT

500 kg

TNT

1000 kg

TNT

2000 kg

TNT

11

R

1m 165,8 354,5 464,5 602,9

2,5m 34,2 89,4 130,8 188,4

5m 6,65 24,8 39,5 60,19

10m 0,85 4,25 8,15 14,7

15m 0,27 1,25 2,53 5,01

20m 0,14 0,54 1,06 2,13

25m 0,09 0,29 0,55 1,08

30m 0,06 0,19 0,33 0,63

Untuk keperluan desain, tekanan tinggi akibat pantulan ledakan dapat

diidealisasi menjadi setara dengan segitiga puncak tekanan maksimum Pr dengan

durasi waktu td, yang menghasilkan daya dorongan pantulan ledakan (i r).

Daya dorong pantulan ledakan (ir)=12

Pr t d .....................................8

Jangka waktu td, berkaitan erat dengan waktu yang dibutuhkan oleh tekanan tinggi

ledakan untuk hilang. Tekanan yang timbul dari refleksi gelombang kemudian

menghilang sebagai gangguan yang menyebar ke pinggiran

hambatan pada kecepatan suara (Us) pada udara yang dikompresi dan dipanaskan di

belakang gelombang kejut depan. Yang menunjukkan jarak maksimum dari tepi

sebagai S (misalnya, bagian terendah atau setengah lebar bangunan), tekanan

tambahan akibat pantulan dianggap dapat mengurangi nilai dari Pr - PSO menjadi nol

dalam waktu 3S/Us. Us dalam kecepatan suara normal, yaitu sekitar 340 m / s, dan

dorongan tambahan pada struktur dievaluasi dengan asumsi terjadi pengurangan

secara linier.

3.3 RESPON STRUKTUR AKIBAT BEBAN LEDAKAN

Menganalisa respon dinamik struktur akibat beban ledakan sangatlah

kompleks karena melibatkan pengaruh tingkat regangan yang tinggi, perilaku non-

linear material inelastis, ketidakpastian perhitungan beban ledakan dan deformasi

bergantung waktu. Oleh karena itu, untuk menyederhanakan suatu analisa, sejumlah

asumsi terkait dengan respon terhadap struktur dan beban ledakan telah diusulkan dan

dapat diterima secara luas. Untuk menetapkan prinsip-prinsip analisis ini, struktur

diidealisasikan sebagai Single Degree Of Freedom System (SDOF)

12

Sistem dengan derajat kebebasan tunggal dan hubungan antara durasi positif dari

beban ledakan dengan periode getaran alami dari struktur dianggap stabil. Hal ini

untuk mengidealisasi dan menyederhanakan klasifikasi beban.

3.3.1 SISTEM SDOF ELASTIK

Cara paling sederhana untuk mengatasi masalah tersebut di atas adalah dengan

cara pendekatan melalui SDOF sistem. Suatu struktur yang sebenarnya dapat

digantikan oleh sistem setara dengan satu konsentrasi massa dan satu

pegas ringan untuk mewakili resistensi dari struktur terhadap deformasi. Sistem yang

diidealisasikan seperti yang digambarkan dalam Gambar.5.1. Massa struktural, M,

berada di bawah pengaruh suatu gaya eksternal, F(t), dan hambatan struktural, Rm,

mengalami perpindahan secara vertikal, y, dan konstanta pegas, K.

Beban Ledakan juga dapat diidealisasikan sebagai beban segitiga yang

memiliki puncak gaya Fm dan dengan durasi fase positif td (lihat Gambar 3.5). Fungsi

gaya diberikan sebagai:

F (t )=Fm(1− tt d

).....................................9

Dorongan akibat ledakan diperkirakan sebagai daerah di bawah kurva gaya-

waktu, dan ditentukan oleh

I=12

Fmt d.....................................10

Persamaan gerak dari SDOF sistem elastik tanpa untuk waktu yang berkisar dari 0 ke

durasi fase positif, td, diberikan oleh Biggs (1964) sebagai

M ÿ+Ky=Fm(1−tt d

).....................................11

Solusi umum dapat dinyatakan sebagai:

Perpindahan/Displacement

y (t )=Fm

K(1−cosωt )+

Fm

Ktd( sinωt

ω−t).....................................12

Kecepatan/Velocity

ẏ (t )=dydt

=Fm

K [ω sinωt+ 1t d

(cos ωt−1)].....................................13

13

di mana ω adalah frekuensi getar alami dari struktur dan T adalah

periode getaran alami struktur diberikan oleh persamaan 14.

ω=2 πT

=√ KM

.....................................14

Gambar 3.5 (a) SDOF sistem dan (b) ledakan loading

Respons maksimum didefinisikan oleh defleksi atau lendutan dinamis

maksimum ym yang terjadi pada waktu tm. ym, lendutan dinamis maksimum dapat

dievaluasi dengan menetapkan dy / dt dalam Persamaan 12 sama dengan nol, yaitu

ketika kecepatan struktural adalah nol. Faktor beban dinamis, Dynamic Load Factor

DLF, didefinisikan sebagai perbandingan dari ym lendutan dinamis maksimum dengan

lendutan statis yst yang akan dihasilkan dari aplikasi statis beban puncak Fm, yang

dapat dilihat sebagai berikut:

DLF=Y max

Y st

=Y max

Fm /K

=ψ (ωt d )=ψ ( t d

T ).....................................15

Respon struktural untuk beban ledakan sangat dipengaruhi oleh rasio td / T atau ωtd

(td/T=ωtd/2π). Tiga rezim pembebanan dikategorikan sebagai berikut:

- ωtd <0,4: rezim pembebanan impuls.

- ω td <0,4 rezim quasi-static.

- 0,4 <ωtd <40: rezim pembebanan dinamis.

14