SIMULASI STRUKTUR JEMBATAN RANGKA BAJA KERETA API TERHADAP VARIASI KONFIGURASI RANGKA BATANG, MUTU MATERIAL, DAN BEBAN SUHU

SIMULASI STRUKTUR JEMBATAN RANGKA BAJA KERETA API TERHADAP VARIASI KONFIGURASI RANGKA BATANG, MUTU MATERIAL, DAN BEBAN SUHU Deta Raisa1,* dan Heru Purnomo1 1

Departemen Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok, 16424, Indonesia Email: [email protected]

ABSTRAK Kereta api di kota-kota besar di Sumatera merupakan salah satu sarana transportasi darat yang mendukung kegiatan ekonomi di wilayah tersebut. Keberadaan sungai yang memutus jalur kereta api menyebabkan diperlukannya pembangunan jembatan jalan kereta api. Untuk mendapatkan nilai proyek jembatan yang ekonomis, perlu dilakukan studi mengenai tipe jembatan yang memiliki desain paling efisien. Dalam studi ini, beberapa tipe jembatan rangka baja dengan pembebanan kereta api dimodelkan dengan perangkat lunak berbasis elemen hingga untuk mengetahui besarnya gaya-gaya dalam aksial, lendutan, serta berat jembatan. Beberapa variasi permodelan juga dilakukan untuk mengetahui parameter-parameter tersebut. Variasi yang dimaksud antara lain permodelan sebagai rangka atau portal, keberadaan batang tegak, mutu batang tepi, atas, bawah, dan diagonal, akibat beban suhu, serta konfigurasi batang-batang diagonal. Hasil penelitian ini menunjukan bahwa rangka tipe Warren adalah tipe rangka batang yang paling efisien untuk desain jembatan kereta api.

Kata kunci: jembatan kereta api;rangka baja; konfigurasi rangka; gaya dalam aksial; lendutan.

SIMULATION OF RAILWAY STEEL TRUSS BRIDGE STRUCTURE ON VARIATION OF TRUSS CONFIGURATION, QUALITY OF MATERIAL, AND TEMPERATURE LOAD ABSTRACT Train is one of the transportation vehicles which support the economy of big cities in Sumatera. Bridge construction is needed to cross the river and connects the railway. Tha aims of this study is to find efficient railway bridge design. In this study, several types of statically determinated truss bridge are modelled with a finite element software in order to know their parameters, i.e. axial internal forces, displacements, and weight of the bridges. Some variations are applied in the model to analyze those parameters. The variations applied are truss or frame modelization, existence of vertical members, quality of diagonal, top, and bottom chord, different temperature gradient, and different configuration of diagonal member. Based on the result, it shows that Warren type truss gives the most efficient configuration for raiway bridge design.

Key words: railway bridge; steel truss; truss configuration; axial internal forces; displacements.

PENDAHULUAN Transportasi darat merupakan salah satu pilihan sistem transportasi yang efektif untuk menghubungkan suatu kawasan dengan kawasan lain. Dalam perluasan jalur kereta api di

Simulasi Struktur ..., Deta Raisa, FT UI, 2013

Sumatera terdapat kendala alam, seperti terdapatnya sungai yang memutus jalur kereta api yang akan dibangun. Oleh karena itu dirasa perlu untuk membangun jembatan yang menghubungkan jalur kereta api yang terputus oleh keberadaan sungai. Untuk menambah keefektifan struktur, maka dipilihlah sistem struktur dengan model yang paling optimal yang dapat menerima pembebanan yang terjadi pada jembatan dengan mutu serta ukuran yang tidak berlebihan. Keefektifan ini tidak hanya dipengaruhi oleh jenis, mutu, atau ukuran material saja, namun tipe rangka batang tertentu dapat mengoptimalkan kinerja struktur yang didesain untuk pembebanan kereta api. Oleh karena itu, diperlukan studi lebih lanjut mengenai tipe rangka batang yang paling cocok digunakan sebagai jembatan jalan kereta api untuk mengoptimalkan hasil desain dimana desain tersebut mampu menahan pembebanan yang terjadi tanpa menggunakan spesifikasi yang berlebih.

TINJAUAN TEORITIS Tipe Rangka Batang Menurut Kulicki (2006)[8], tipe rangka batang dapat dibagi menjadi beberapa tipe, antara lain Pratt, Warren tanpa batang tegak, Warren dengan batang tegak, Parker, dan K Truss. Sedangkan menurut Kassimali (1993)[7], tipe rangka batang yang paling sering digunakan untuk struktur jembatan dapat berupa tipe Howe, Pratt, Warren, Parker, K Truss, Baltimore. §

Rangka Tipe Warren Menurut Kulicki (2006)[8], rangka batang Warren merupakan rangka batang yang

terdiri dari batang diagonal yang sejajar dan kadang-kadang juga terdiri dari batang vertikal. Rangka batang tipe Warren dipatenkan oleh seorang designer bernama James Warren dan Willoughby Theobald Monzani pada tahun 1848. Gaya dalam aksial yang bekerja pada batang diagonal dapat berupa gaya aksial tarik ataupun gaya aksial tekan. Kapasitas dari rangka tipe Warren ini dapat ditingkatkan dengan cara menambah set kedua batang diagonal, sehingga terbentuk konfigurasi Double Intersection Warren. §

Rangka Tipe Pratt Menurut Kassimali (1993)[7], rangka batang tipe Pratt ditemukan oleh Thomas dan

Caleb Pratt pada tahun 1844. Rangka batang dengan tipe ini merupakan rangka batang dengan keberadaan member vertikal serta member diagonal yang miring ke arah bawah seiring mendekati tengah bentang struktur rangka batang. Konfigurasi ini menghasilkan gaya dalam


aksial tekan diderita oleh batang vertikal dan gaya dalam aksial tarik diderita oleh batang diagonal dalam. §

Rangka Tipe Howe Kebalikan dari rangka batang tipe Pratt, rangka batang tipe Howe memiliki

konfigurasi batang yang terdiri dari batang tegak dan batang diagonal yang miring ke arah atas seiring mendekati tengah bentang dari struktur. Sehingga, batang diagonal menderita gaya dalam aksial tekan, sedangkan batang tegak menderita gaya dalam aksial tarik. Kestabilan Rangka Batang Cara menganalisa kestabilan rangka batang adalah dengan menyesuaikan jumlah batang, titik simpul, dan reaksi perletakan. Menurut Megson (2005)[9], jika jumlah batang dinotasikan dengan huruf ‘m’, jumlah reaksi perletakan dinotasikan dengan huruf ‘r’, dan jumlah titik simpul dinotasikan dengan huruf ‘j’, maka suatu struktur rangka batang dapat dikatakan stabil jika memenuhi persamaan berikut: ! = 2! − 3 Namun, struktur rangka batang dapat dikatakan tidak stabil jika struktur tersebut memenuhi persamaan: ! < 2! − 3 Sedangkan struktur rangka batang dapat dikatan dalam keadaan statis tidak tentu apabila struktur tersebut memenuhi persamaan: ! > 2! − 3 Metode Perhitungan Rangka Batang Metode perhitungan rangka batang dapat dilakukan dengan tiga cara (Mulyati)[10], yaitu dengan metode grafo statika, metode analitis, dan metode numerik. §

Metode Grafo Statika -

Diagram Kesetimbangan Titik

Diagram keseimbangan titik berprinsip bahwa dalam satu titik simpul, maka gayagaya dalam aksial batang yang terkait dalam titik simpul tersebut mengalami keadaan setimbang dengan gaya-gaya luar di titik yang sama. Untuk menghitung besarnya gaya-gaya dalam aksial tersebut, perlu untuk menggambarkan diagram garis gaya yang terjadi dalam satu titik simpul.


-

Diagram Cremona

Diagram Cremona adalah metode dimana gambar-gambar segi banyak pada tiap-tiap titik simpul secara grafis disusun jadi satu diagram. Pada metode ini, peninjauan keseimbangan gaya batang pada tiap tiap titik simpul dilakukan dengan penggambaran segibanyak gaya. -

Metode Culmann

Metode Culmann merupakan nama lain dari metode keseimbangan bagian secara grafis. Metode ini sama saja dengan cara Ritter yang dikerjakan secara grafis atau diagram. Metode ini cocok digunakan untuk mencari besarnya gaya dalam aksial untuk beberapa batang saja. Metode ini juga berguna untuk titik sendi yang mengikat tiga batang, sehingga diagram Cremona tidak dapat menyelesaikannya. §

Metode Analitis -

Cara Ritter

Cara Ritter disebut juga dengan metode pemotongan secara analitis. Metode ini memiliki prinsip bahwa, jika dua atau tiga batang dipotong, maka gaya-gaya yang terjadi pada batang yang dipotong tersebut mengalami kesetimbangan dengan gaya-gaya luar dan reaksi perletakan dari struktur rangka batang bagian kiri maupun bagian kanan dari potongan. -

Cara Keseimbangan Titik

Cara keseimbangan titik berprinsip bahwa dalam satu titik simpul, maka gaya-gaya dalam aksial batang yang terkait dalam titik simpul tersebut mengalami keadaan setimbang dengan gaya-gaya luar di titik yang sama. Untuk menghitung besarnya gaya-gaya dalam aksial tersebut, perlu diterapkan keadaan setimbang, yaitu dengan memenuhi kedua persamaan berikut: !! = 0 dan §

!! = 0

Metode Numerik -

Metode Fleksibilitas

Metode fleksibiltas dapat disebut juga dengan Force Method. Metode Fleksibilitas lebih cocok digunakan untuk menganalisa struktur rangka batang statis tak tentu, dimana derajat kebebasan kinematis lebih tinggi dibanding dengan derajat kebebasan statik. Dalam Metode Fleksibilitas, gaya dalam maupun reaksi perletakan merupakan suatu variabel yang dicari terlebih dahulu sebelum mencari displacement atau peralihan dari suatu titik pada struktur.


-

Metode Kekakuan

Metode Kekakuan juga biasa dikenal dengan nama Displacement Method atau Stiffness Method. Hal ini dikarenakan karena dalam metode ini, displacement merupakan variabel yang dicari terlebih dahulu sebelum mencari besarnya gaya-gaya luar atau reaksi perletakan maupun gaya dalam batang. Besarnya displacement suatu nodal dari sebuah struktur dapat ditentukan berdasarkan persamaan: ! = ! ! Dimana ! merupakan matriks kekakuan elemen rangka dan ! adalah matriks gaya luar yang bekerja di tiap nodal yang telah ditentukan sebelum. Pada studi ini, dengan menggunakan metode kekakuan, struktur rangka batang dengan tipe Warren, Pratt, dan Howe serta berbagai variasi lainnya dimodelkan dalam perangkat lunak untuk mengetahui tipe rangka struktur yang paling efisien digunakan sebagai jembatan kereta api.

METODE PENELITIAN Struktur Rangka Batang Struktur yang dianalisa adalah jembatan rangka baja yang berdiri di atas dua tumpuan (struktur balok sederhana) dengan bentang 30 meter. Struktur tersebut didesain berdasarkan RSNI T-03-2005 Perencanaan Struktur Baja untuk Jembatan [2] dan Draft Standar Indonesia Railway Technical Standar for Concrete Structure (IMO 2005/2006) [5] serta menggunakan pembebanan sesuai dengan RSNI T-02-2005 Pembebanan untuk Jembatan [1] dan SNI 032833-200X Standar Perencanaan Ketahanan Gempa untuk Jembatan [3]. Adapun struktur rangka batang model awal dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Struktur Rangka Batang Model Awal Sumber: Olahan Sendiri (2013)


Spesifikasi Material Struktur jembatan rangka batang ini dibuat dari material baja BJ 41 dengan nilai tegangan leleh 250000 kN/m2 dan tegangan ultimit 410000 kN/m2. Adapun profil baja untuk model awal rangka batang tipe Warren serta dimensi yang digunakan seperti terlihat pada Tabel 1. Sedangkan profil dan dimensi yang digunakan untuk model alternatif yang lain didesain sesuai dengan kondisi batas persamaan interaksi < 0,92 dan lendutan maksimum < 37,5 mm (lendutan ijin). Kondisi batas persamaan interaksi diterapkan agar struktur dalam keadaan yang aman dan lendutan ijin didapat berdasarkan 1/800 dari panjang bentang jembatan. Tabel 1. Jenis dan Dimensi Profil Baja yang Digunakan Dimensi (m) Tebal Lebar Badan 0,3 0,016

Jenis Elemen

Profil

Balok Melintang

Wide Flange

0,9

Balok Memanjang

Wide Flange

0,7

0,3

0,013

0,024

Batang Diagonal

H Beam

0,3

0,3

0,01

0,015

Batang Tepi, Atas, dan Bawah

Square Pipe

0,35

0,35

0,016

0,016

Ikatan Angin

H Beam

0,15

0,15

0,007

0,01

0,2

0,008

0,012

Ikatan Traksi Bawah

Tinggi

H Beam 0,2 Sumber: Olahan Sendiri (2013)

Tebal Sayap 0,028

Pembebanan Pembebanan yang digunakan adalah beban mati primer, beban mati sekunder, beban hidup kereta, beban hidup kerumunan, beban suhu, dan beban angin, seperti yang dijelaskan di bawah ini: §

Beban Mati Primer: adalah berat sendiri struktur rangka batang.

§

Beban Mati Sekunder: adalah berat sendiri komponen tambahan jembatan, yaitu bantalan beton, rel, dan jalur pemeliharaan.

§

Beban Hidup Kereta: adalah berat kereta 17 gandar yang telah dikalikan dengan koefisien kejut.

§

Beban Hidup Kerumunan: adalah berat pejalan kaki yang ada di jalur pemeliharaan

§

Beban Suhu: adalah perbedaan suhu jembatan, yaitu 12ºC (kecuali untuk model alternatif yang menggunakan beban suhu sebesar 15 ºC).

§

Beban Angin: adalah beban angin saat jembatan dilalui atau tidak dilalui kereta dimana beban tersebut bekerja pada titik buhul dan balok memanjang.


Simulasi Parametrik Dengan menggunakan pembebanan yang telah dijelaskan sebelumnya, rangka awal tipe Warren dengan spesifikasi material yang juga disebutkan di atas dimodelkan dengan perangkat lunak. Selain itu, dilakukan pula permodelan untuk alternatif lainnya. Dalam penelitian ini dilakukan peninjauan terhadap gaya-gaya dalam aksial, dimensi profil yang dibutuhkan, berat jembatan, dan lendutan di tengah bentang untuk berbagai variasi sebagai berikut: §

Variasi jenis elemen hingga: model rangka dan model portal

§

Variasi keberadaan batang tegak dan konfigurasi batang diagonal: rangka awal tipe Warren, model alternatif 1, model alternatif 2, model alternatif 3, dan model alternatif 4 yang dapat dilihat dalam Gambar 2 sampai Gambar 5.

§

Variasi mutu batang diagonal: rangka awal dan rangka awal dengan penurunan mutu batang diagonal dari BJ 41 menjadi BJ 34.

§

Variasi mutu batang tepi, atas, dan bawah: rangka awal dan rangka awal dengan penurunan mutu batang tepi, atas, dan bawah dari BJ 41 menjadi BJ 34.

§

Variasi suhu: rangka awal dengan pembebanan suhu sebesar 12ºC, rangka awal dengan pembebanan suhu sebesar 15ºC, dan rangka awal tanpa pembebanan suhu.

§

Variasi konfigurasi batang diagonal: rangka awal tipe Warren, model alternatif 5, dan model alternatif 6 yang dapat dilihat dalam Gambar 6 dan Gambar 7.

Gambar 2. Model Alternatif 1 Sumber: Olahan Sendiri (2013)








HASIL DAN PEMBAHASAN Variasi Jenis Elemen Hingga Berdasarkan Gambar 8, gaya dalam aksial yang dihasilkan oleh rangka batang dengan modelisasi portal ruang lebih besar dibandingkan dengan modelisasi rangka ruang.

Gaya Dalam Aksial Ultimit (kN) 4000 3000

3290,97 3309,21 2180,27 2199,72

2000

Model Rangka

1000

Model Portal

0 Batang Tepi, Atas, Batang Diagonal dan Bawah

Gambar 8. Gaya Dalam Aksial Ultimit untuk Variasi Jenis Elemen Hingga Sumber: Olahan Sendiri (2013)

Hal ini diakibatkan profil penampang yang digunakan dalam model portal lebih besar dibandingkan dengan model rangka. Perbesaran penampang yang dibutuhkan pada model portal dilakukan karena komponen tersebut gagal jika menggunakan dimensi profil awal. Hal ini disebabkan karena momen lentur arah x dan momen lentur arah y diperhitungkan pada model portal dalam persamaan interaksi. Lain halnya dengan model rangka yang hanya memperhitungkan gaya dalam aksial. Diperhitungkannya momen lentur memperbesar hasil persamaan interaksi, sehingga membuat beberapa batang dianggap gagal.


Variasi Keberadaan Batang Tegak dan Konfigurasi Batang Diagonal Berdasarkan Tabel 2, batang atas menerima gaya aksial tekan dan batang bawah menerima gaya aksial tarik. Hal ini dapat diibaratkan sebagai balok yang diberikan pembebanan gravitasi, sehingga balok melentur sedemikian rupa dimana serat atas mengalami gaya tarik dan serat bawah mengalami gaya tekan. Sedangkan dari sisi batang diagonal, model awal yang berbentuk tipe Warren memiliki batang diagonal yang menderita gaya aksial tarik sekaligus tekan. Sedangkan model alternatif dua yang berbentuk tipe Howe memiliki batang diagonal yang menderita gaya tekan. Lain halnya dengan model alternatif tiga yang berbentuk tipe Pratt memiliki batang diagonal yang menderita gaya tarik. Karena menahan gaya aksial tarik, seharusnya rangka batang jenis Pratt membutuhkan profil baja yang lebih kecil dibandingkan rangka yang lain. Hal ini terlihat bahwa dimensi yang dibutuhkan oleh model alternatif 3 lebih kecil dibanding dengan model alternatif 2. Namun jika dibandingkan dengan model awal tipe Warren, dimensi yang dibutuhkan untuk model awal lebih kecil karena konfigurasi batangnya yang sedemikian rupa sehingga gaya dalam aksial yang diderita lebih kecil. Namun, batang tepi, atas, dan bawah untuk model alternatif 3 lebih besar dibanding model awal dan model alternatif 2. Hal ini diakibatkan oleh gaya tekan yang diterima oleh batang diagonal kurang, sehingga batang atas pada model alternatif 3 menderita gaya aksial tekan yang lebih besar dibandingkan dengan model awal dan model alternatif 2. Berdasarkan Gambar 9, berat jembatan yang paling ringan merupakan rangka tipe Warren. Hal ini diakibatkan rangka tipe Warren yang tidak memiliki batang tegak yang menambah berat struktur. Berdasarkan tabel 5, batang tegak tidak menerima gaya dalam aksial yang besar dan untuk model alternatif 2 dan 4, gaya dalam aksial batang tegak menunjukan nilai dengan range yang besar sehingga ada beberapa batang tegak yang overdesign.


SIMULASI STRUKTUR JEMBATAN RANGKA BAJA KERETA API TERHADAP VARIASI KONFIGURASI RANGKA BATANG, MUTU MATERIAL, DAN BEBAN SUHU

Recommend Documents