PEMODELAN STRUKTUR

BAB IV PEMODELAN STRUKTUR

IV.1. Deskripsi Umum

Pada tugas akhir ini dimodelkan dua buah jembatan yang tipikal satu sama lain dalam berbagai hal, hanya memiliki perbedaan pada detailing pilar. Perbedaan pada detailing pilar disebabkan oleh perbedaan sistem pendisipasi energi beban seismik. Pada model jembatan pertama, sistem pendisipasi energinya adalah beton bertulang biasa (sistem konvensional). Sedangkan, model jembatan kedua menggunakan beton bertulang yang diberikan tendon prategang unbonded (sistem hybrid).

Jembatan yang akan dikaji pada tugas akhir ini diperuntukan sebagai jembatan guideway monorel berlokasi di Bandara Soekarno-Hatta, Tangerang. Tipe struktur jembatan adalah integrated and continuous span (sistem portal) dengan jalur lurus. Panjang jembatan adalah 100 meter yang dibagi menjadi lima bentang sehingga panjang jembatan per bentang adalah 20 meter. Kelas situs tanah diasumsikan adalah tanah lunak (SE). Model jembatan akan dimodelkan pada program MIDAS CIVIL 2011.

IV.2. Pemodelan Struktur

Pemodelan struktur jembatan guideway monorel untuk kedua sistem adalah sama. Perbedaan hanya terletak pada detailing pilar sehingga pada MIDAS CIVIL 2011 akan terdapat perbedaan pada input diagram interaksi dan kurva monotonik backbone. Acuan yang digunakan untuk berbagai aturan dan batasan desain jembatan adalah AASHTO LRFD 2012 Bridge Design Specification 6 th Edition dan AASHTO LRFD 2011 Seismic Bridge Design Specification 2 th Edition . Berikut adalah pemodelan struktur pada MIDAS CIVIL 2011:

Gambar IV. 1 Tampak depan (atas), tampak samping (tengah), dan 3D (bawah) dari jembatan guideway

monorel

Material struktur jembatan guideway monorel adalah beton. Mutu beton yang digunakan berbeda-beda pada masing-masing komponen. Secara ringkas dapat dilihat pada tabel berikut:

Mutu Beton Komponen (Mpa)

Pier Head

Guideway Beam

Material tulangan baja pada pemodelan struktur menggunakan kekuatan baja ASTM A-615 Grade 60 yang setara dengan kuat tarik leleh sebesar 410 MPa. Tipe strand menggunakan ASTM A-416 Grade 270 low relaxation strand yang memiliki tegangan ultimate 1860 MPa.

IV.2.1. Elemen Struktur Jembatan

Pemodelan jembatan guideway monorel menggunakan MIDAS CIVIL 2011. Jenis elemen jembatan yang dimodelkan adalah pilar, kepala pilar, guideway beam, dan tendon prategang.  Material

Untuk melakukan pemodelan struktur, diperlukan mendefinisikan material terlebih dahulu. Berikut adalah data material elemen struktur jembatan yang digunakan:

Tabel IV. 1 Material elemen struktur

Element fc' (N/mm 2 ) Ec (N/mm 2 )

Guideway beam 50 33230 Kepala Pilar

37 28580 Pilar

Keterangan: 𝐸 = 4700 √𝑓 ′ 𝑐 𝑐 Selain itu, terdapat data tambahan untuk material beton dan tulangan baja untuk input pada MIDAS CIVIL 2011:

Tabel IV. 2 Data tambahan untuk material beton, tulangan baja, dan tendon

Material

Tendon Es

Beton

Tulangan Baja

196500 MPa fy

Berat 2400 kg/m 3 7850 kg/m 3

diperhitungkan

0.2 0.3 0.3 Koefisien termal

Poisson ratio

12E-06/1C 0 12E-06/1C 0 12E-06/1C 0  Guideway beam

Guideway beam merupakan komponen pemikul momen dan penyalur beban ke struktur bawah (substructure) akibat beban-beban sementara. Guideway beam juga sebagai lintasan monorel. Pada jembatan ini, pendisipasi energi gempa hanya pilar jembatan saja. Oleh karena itu, guideway beam tidak diberikan sendi plastis. Pada subbab I.4 sudah dijabarkan bentuk dan dimensi guideway beam mengikuti gambar kerja yang sudah ada, yaitu bentuk persegi panjang dengan dimensi 800 x 1800 mm.

 Kepala pilar Kepala pilar (pier head) merupakan bagian struktur bawah jembatan yang

berfungsi menyalurkan beban dari balok atau pelat diatasnya ke pilar jembatan. Bila dilihat pada tampak depan (transversal), kepala pilar memiliki bentuk non- prismatik. Kepala pilar pada bagian tengah memiliki tinggi 1800 mm, kemudian berubah menjadi 1200 mm, dan pada bagian tepi memiliki tinggi 1000 mm. Pada tampak memanjang (longitudinal), kepala pilar memiliki tebal 1600 mm.

Gambar IV. 2 Tampak depan kepala pilar

 Pilar Pilar merupakan komponen pemikul aksial dan momen serta penyalur beban dari guideway beam ke fondasi. Pilar merupakan bagian vital pada jembatan ini karena merupakan satu-satunya komponen pendisipasi energi gempa. Pemodelan pilar untuk sistem hybrid dan konvensional tidak memiliki perbedaan. Kedua sistem ini akan memiliki perbedaan pada pemodelan sendi plastid an detailing. Pilar memiliki bentuk lingkaran dengan diameter 10 mm dan tinggi 10 m. Pemodelan pilar setinggi 10 m pada MIDAS CIVIL 2011 dengan partisi setiap 2,5 m disebabkan pilar jembatan adalah pracetak. Oleh karena pilar merupakan komponen pendisipasi energi, momen inersia pilar wajib diberikan reduksi dalam pendesainan. Pada saat pilar mengalami keretakan akibat mendisipasi energi gempa, momen inersia pilar menjadi momen inersia efektif. Momen inersia efektif pilar adalah 70% dari momen inersia awal pilar.

 Tendon prategang Tendon prategang dipasang pada guideway beam dan khusus untuk sistem hybrid, tendon juga dipasang pada pilar. Pendefinisian properti tendon diperlukan sehingga pemodelan dapat dilakukan dengan baik. Berikut adalah properti dari tendon ASTM A-416 Grade 270 low relaxation strand yang digunakan dalam desain:

Tabel IV. 3 Properti tendon pada jembatan guideway monorel

Standard (ASTM A416-74)

Unbonded Diameter (nominal)

Guideway Beam

12.7 mm Nominal area

12.7 mm

98.7 mm² Load at 1% extension

98.7 mm²

165.3 kN Min. breaking load, Pu

165.3 kN

183.7 kN Ultimate strength (fu)

183.7 kN

1860 MPa Yield strength (0,9 fu)

1860 MPa

1675,426 MPa Frictional coefficient

1675,426 MPa

0.07/rad Wobble coefficient

0.2/rad

0.0033 /m Wedge draw-in

0.0026 /m

6 mm Relaxation

6 mm

Low 2.5% - 3.5

Low 2.5% - 3.5

Untuk nilai koefisien relaksasi pada MIDAS CIVIL 2011, digunakan metode pendekatan magura dengan nilai 45 (low relaxation strand). Pemasangan tendon pada guideway beam bertujuan untuk mengakomodir persyaratan defleksi kondisi service. Tendon-tendon pada guideway beam mengunakan sistem bonded prestressed. Terdapat dua jenis peletakan tendon yang dipasang pada guideway beam. Pertama diletakkan pada setiap guideway beam berjumlah dua buah pada masing- masing sisi kiri dan kanan. Bentuk layout tendonnya adalah parabolik. Tujuannya agar pada saat konstruksi di lapangan, tendon tidak mengalami defleksi berlebihan akibat beban sendiri dan beban konstruksi.

Gambar IV. 3 Contoh layout tendon pada satu guideway beam

Pemodelan partisi pada guideway beam diatas dikarenakan guideway beam merupakan beton pracetak. Pada masing-masing tendon diisi sembilan buah strand dengan diameter duct adalah 63 mm. Kedua diletakkan pada sepanjang guideway beam berjumlah dua buah pada masing-masing sisi kiri dan kanan. Bentuk layout tendonnya adalah parabolik pada setiap bentang. Peletakkan tendon ini bertujuan untuk mengakomodasi defleksi yang berlebihan dan memberikan gaya angkat (uplift force) terhadap beban-beban yang bekerja disepanjang guideway beam.

Gambar IV. 4 Contoh layout tendon sepanjang guideway beam

Pada masing-masing tendon diisi Sembilan buah strand dengan diameter duct adalah 63 mm. Referensi besarnya duct yang diperlukan berdasarkan brosur PT. VSL International.

Untuk sistem hybrid, tendon tanpa lekatan yang terdapat di pilar tidak dimodelkan pada MIDAS CIVIL 2011 karena keterbatasan program MIDAS CIVIL. Bila tendon tanpa lekatan dimodelkan pada pilar, maka pengaruhnya hanya sebatas pada gaya dalam yang diterima oleh pilar meningkat tanpa menghasilkan perilaku atau kinerja dari sistem hybrid. Oleh karena itu, pemodelan tendon tanpa lekatan pada pilar dilakukan menggunakan program XTRACT untuk mendapatkan perilaku dari pilar sistem hybrid dan MIDAS CIVIL 2011 hanya digunakan untuk mengetahui gaya prategang efektif akibat kehilangan gaya pratekan. Gaya prategang efektif tersebut digunakan sebagai input gaya tendon prategang pada pemodelan di XTRACT. Hasil perilaku yang sudah diolah, selanjutnya di-input secara manual ke dalam MIDAS CIVIL 2011 sehingga analisis dari perilaku dan kinerja sistem hybrid dapat dilakukan oleh MIDAS CIVIL. Pemodelan ini akan lebih lanjut dibahas pada subbab IV.2.3.

IV.2.2. Pembebanan dan Kombinasinya dalam Model Struktur

Pembebanan pada jembatan guideway monorel mengacu pada ACI 343.1R-12. Berikut merupakan penjabaran dari beban-beban yang diaplikasikan pada model struktur: Beban Tetap (Sustained Loads)

 Beban mati Besarnya gaya dalam akibat beban mati merupakan fungsi dari berat jenis dari material yang digunakan.

Berdasarkan AASHTO 2012, berat jenis berbagai jenis material adalah sebagai berikut:

Tabel IV. 4 Berat jenis berbagai material (AASHTO LRFD 2012)

Berat jenis material beton untuk 𝑓 ′ 𝑐 = 37 𝑀𝑃𝑎 adalah 𝜌 𝑏𝑒𝑡𝑜𝑛 = 2284 𝑘𝑔 𝑚 ⁄ dan 3 𝑓 ′ 𝑐 = 50 𝑀𝑃𝑎 adalah 𝜌 𝑏𝑒𝑡𝑜𝑛

= 2313 𝑘𝑔 𝑚 ⁄ . Secara konservatif dapat diambil 3 sebesar 𝜌 𝑏𝑒𝑡𝑜𝑛

= 2400 𝑘𝑔 𝑚 ⁄ 3  Beban akibat tendon prategang (PS) Besarnya gaya dalam yang diakibatkan dari tendon prategang merupakan fungsi

dari jumlah strand dan besarnya tegangan yang diberikan. Pada SNI 2847-2013, besarnya gaya jacking yang diberikan tidak boleh melebihi 80% tegangan ultimate tendon. Sehingga, gaya jacking yang diberikan adalah 75% dari tegangan ultimate, yaitu 1396.189 MPa.

Beban Sementara (Transient Loads)  Beban hidup dan turunannya

 Beban vertikal dari monorel (LL) Beban monorel memiliki spesifikasi sesuai dengan monorel yang direncanakan.

Berikut adalah spesifikasi monorel yang direncanakan:

Gambar IV. 5 Spesifikasi monorel

Data dimensi tambahan monorel, sebagai berikut:  Panjang

 Lebar : 3837 mm diukur dari permukaan lintasan sampai bagian atas monorel

 Jarak antara 2 kereta

: 917 mm

 Jarak antara 2 bogie

: 7200 mm

 Jarak as bogie

: 1500 mm

 Kecepatan maksimum : 60 km/jam (lintasan lurus)  Percepatan

: 3,6 km/jam/det

 Perlambatan

: 3,6 km/jam/det

Beban monorel dimodelkan sebagai moving load pada MIDAS CIVIL 2011.

 Faktor kejut (IM) Tipe struktur jembatan guideway monorel adalah integrated and continuous

span dan jointed rail. Oleh karena itu, faktor kejut monorel dapat dihitung dengan rumus berikut: span dan jointed rail. Oleh karena itu, faktor kejut monorel dapat dihitung dengan rumus berikut:

= masa per unit panjang dari guideway, termasuk seluruh beban mati yang dipikul dan berat sendiri guideway, (kg/m) Ec = modulus elastisitas dari guideway, (Pa)

I g = momen inersia dari guideway, (m 4 )

VCF = frekuensi monorel (Vehicle Crossing Frequency), Hz

Tabel IV. 5 Beban Dinamik Minimum (ACI 343.1R-12)

Oleh karena nilai perhitungan faktor kejut (IM) kurang dari faktor kejut minimum, maka digunakan faktor kejut (IM) minimum, yaitu 0,3. Faktor kejut dikalikan dengan masing-masing axle load pada pemodelan moving load beban monorel.

 Beban Rem (Lfe dan LFn) Beban rem bekerja pada pusat masa monorel, sehingga pemodelan akan lebih mudah dengan mengubah beban aksial rem pada pusat masa monorel menjadi beban aksial dan momen rem pada guideway beam. Beban rem direncanakan dengan mengambil kondisi ekstrim selama pengereman. Kondisi tersebut adalah emergency braking.

Tabel IV. 6 Beban Rem (LF) (ACI 343.1R-12)

Gambar IV. 6 Tampak atak pemodelan beban rem untuk guideway beam kanan (Lfe Right)

 Beban Hunting atau Nosing (HF) Tipe bogie Monorel diasumsikan nonsteerable karena tidak ada keterangan.

Tabel IV. 7 Beban Hunting (HF) (ACI 343.1R-12)

Gambar IV. 7 Tampak atas pemodelan beban hunting untuk guideway beam kanan (HF Right)

 Beban angin (WL) Perencanaan beban angin untuk daerah Jakarta dan sekitarnya diambil sebesar 90

km/jam kecuali diberikan secara khusus. Berdasarkan ACI 343.1R-12, beban angin yang diberikan pada pemodelan adalah, sebagai berikut:

a. 2 Pada struktur guideway, beban angin adalah 0,4 kN/m diberikan pada sumbu netral dari struktur guideway.

b. 2 Pada monorel, beban angin adalah 0,4 kN/m diberikan pada sumbu netral dari monorel atau 1,822 m diatas struktur guideway.

Gambar IV. 8 Tampak atas pemodelan beban angin pada monorel (atas) dan struktur jembatan (bawah)

Gambar IV. 9 Tampak depan pemodelan beban angin pada struktur jembatan (kiri) dan monorel (kanan)  Efek Temperatur, Rangkak Beton (CR), Susut Beton (SH) Ketiga beban ini diaplikasikan pada model jembatan dengan memasukan berbagai

properti material dan lingkungan, seperti koefisien termal material dan rentang suhu lingkungan di lokasi jembatan dibangun. MIDAS CIVIL 2011 akan menghitung rangkak dan susut beton berdasarkan properti yang user definisikan.

Gambar IV. 10 Interface untuk mendefinisikan properti material dan lingkungan MIDAS CIVIL 2011

 Beban Seismik Pada tugas akhir ini, digunakan dua jenis analisis gempa pada model jembatan guideway monorel. Jenis pertama adalah analisis respons spektra dan yang kedua adalah analisis riwayat waktu (THA). Analisis riwayat waktu membutuhkan data percepatan batuan dasar (ground motion) yang sudah diskalakan dengan respons spektra desain, sebagai beban seismik gempa. Pada analisis respons spektra, beban seismik dari respons spektra dibuat berdasarkan peta gempa propabilitas terlampaui 7% dalam 75 tahun di SNI 2833- 2013.

Sehingga, didapatkan data-data berikut:

a. Lokasi

= Jakarta

b. Kelas situs

= SE

c. S ds = 0.837 g

d. S d1 = 0.7975 g

e. PGA m = 0.364 g

Berikut adalah kurva respons spektra yang digunakan dalam desain jembatan:

Respons Spektra Jakarta Tanah Lunak

0.9 (g) 0.8

, Sa 0.7 ctra e 0.6 n Sp 0.5

Periode, T (detik)

Gambar IV. 11 Respons spektra jakarta tanah lunak situs SE

Beban seismik dari respons spektra perlu diskalakan sesuai dengan klasifikasi operasi jembatan dan jenis substructure pendisipasi energi gempa.

AASHTO LRFD 2012 memberikan nilai R sebagai berikut:

Tabel IV. 8 Nilai R (AASHTO LRFD 2012)

Klasifikasi operasi jembatan guideway monorel adalah other karena jembatan ini tidak diharuskan dapat beroperasi pada keadaan emergency sekalipun setelah gempa rencana terjadi. Faktor skala dapat dihitung dengan rumus berikut:

Dimana :

g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) R = faktor modifikasi respons (dapat dilihat pada Tabel IV.2)

= 5 (untuk arah longitudinal atau arah X) = 3 (untuk arah transversal atau arah Y)

Meskipun dalam pendesainan jembatan ini menggunakan respons spektra, wajib dilakukan pengecekan beban seismik dari respons spektra sebagai kalibrasi faktor skala gempa. Parameter struktur yang dicek adalah gaya geser dasar (base shear) akibat respons spektra dan statik ekivalen. Pengecekan ini bertujuan agar besarnya beban seismik dari respons spektra tidak lebih kecil dari analisis statik ekivalen.

Perhitungan gaya statik ekivalen dapat menggunakan formula yang terdapat pada SNI 2833-2013, sebagai berikut:

Secara matematis pengecekan dapat menggunakan persamaan sebagai berikut: 𝑉 𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚𝑖𝑘 ≥𝑉 𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑘

Persamaan diatas cukup berbeda untuk melakukan pengecekan struktur gedung. Umumnya jembatan didesain menggunakan metode statik ekivalen karena metode statik pada jembatan memberikan gaya desain yang cukup besar. Didapatkan hasil perhitungan, gaya geser dasar akibat beban seismik dari respons spektra sudah sama dengan gaya geser dasar akibat beban statik ekivalen. Oleh karena itu, faktor skala untuk arah X dan Y sudah memadai. Pada analisis riwayat waktu (THA), Riwayat percepatan batuan dasar yang

digunakan adalah El Centro 140 o untuk arah X dan El Centro 230 untuk arah Y selama 36,82 detik yang sudah diskalakan dengan respon spektra Jakarta sesuai

dengan SNI 1726-2012. Beban-beban diatas diaplikasikan kepada model struktur dengan dua jenis kombinasi.

Hasil analisis dari kombinasi pembebanan dapat digunakan sebagai acuan untuk desain. Jenis kombinasi pertama adalah service dan jenis kedua adalah ultimate. Kombinasi service digunakan untuk melakukan pengecekan dan evaluasi desain berdasarkan kenyamanan (serviceability) dari jembatan, seperti defleksi (chamber) jembatan dan tegangan pada beton. Sedangkan, kombinasi ultimate digunakan untuk mendesain detailing dari jembatan. Kombinasi pembebanan service dan ultimate sudah dibahas pada subbab II.2.3 berdasarkan ACI 343.1R-12.

IV.2.3. Pemodelan Sendi Plastis

Pada analisis non-linier, elemen pendisipasi energi gempa memiliki karakteristik perilaku tersendiri, yaitu plastifikasi. Sedangkan, elemen yang tidak mendisipasi energi gempa didesain tetap linier sepanjang beban rencana. Kurva backbone merepresentasikan perilaku dan properti penampang pendisipasi energi selama tahap plastifikasi berlangsung. Contohnya perilaku dan properti plastis adalah kekakuan plastis, kapasitas dan deformasi ultimate, daktilitas, bentuk kurva monotonik, dan lain- lain. Kurva backbone tersebut merupakan fungsi dari detailing, DOF elemen, dan bentuk histeretik elemen. Oleh karena itu, sistem hybrid dan konvensional akan memiliki perbedaan pada pemodelan sendi plastis dan kurva backbone.

Sendi plastis pada jembatan guideway monorel akan diberikan pada ujung-ujung pilar jembatan. Pemodelan sendi plastis hanya dapat dilakukan apabila detailing pilar sudah selesai.

Gambar IV. 12 Pemberian sendi plastis pada MIDAS CIVIL 2011

Sendi plastis penampang sistem hybrid dan konvensional dimodelkan menggunakan program XTRACT. Hasil dari XTRACT adalah kurva momen-kurvatur dan diagram interaksi penampang.

Contoh pemodelan pada XTRACT sebagai berikut:

Gambar IV. 13 Pemodelan penampang sistem hybrid (kiri) dan sistem konvensional (kanan) pada XTRACT Setelah didapatkan kurva momen-kurvatur dan diagram interaksi dari penampang kedua sistem, maka kurva momen-kurvatur diolah untuk mendapatkan kurva backbone

kedua sistem. Dalam mendefinisikan sendi plastis pilar pada MIDAS CIVIL, derajat kebebasan pilar harus dipilih P-Mx-My dan tipe kurva skeleton adalah FEMA. Pengolahan kurva backbone akan dijabarkan lebih lanjut pada bab V. Sedangkan, diagram interaksi diolah agar dapat di-input sesuai dengan interface MIDAS CIVIL 2011 sebagai properti sendi plastis untuk analisis pushover maupun non-linier time history (NLTHA).