Evaluasi Kekuatan Struktur Jembatan

EVALUASI KEKUATAN STRUKTUR JEMBATAN
Referensi :
1. AASTHO Manual for Maintenance Inspection of Bridges
2. Guide Specification for Strength Evaluation of Existing Steel and Concrete Bridges, 1989
3. Standard Specification for Highways Bridges
Tipe Jembatan
Ada beberapa tipe jembatan yang sudah dibangun seperti :
a. Tipe rangka (truss). Tipe ini sudah dikenal sejak saat dipatenkan dengan tipe Howe (batang diagonal tertekan), Pratt (batang diagonal tertarik) dan Warren (batang diagonal bergantian ada yang tertekan dan tertarik). Masih ada jenis lain yaitu tipe K dan tipe Baltimore yang merupakan kombinasi dari tipe Warren. Dari cara pembebannya, maka ada dua istilah yaitu tipe dek (deck type) bila beban melalui titik-titik buhul sisi atas rangka, dan tipe “thru” atau “pony” (thru type atau pony type) bila beban melalui titik-titik buhul sisi bawah.
b. Tipe lengkung (arches). Tipe ini dikenal sejak abad ke 8 karena gaya luarnya menimbulkan gaya tekan pada strukturnya, sehingga dapat digunakan bahan alami seperti batu. Ada beberapa jenis kelengkungan, yaitu lengkung Romawi, lengkung Gothic, lengkung Elliptic, lengkung parabolic, dan lengkung lingkaran. Tipe parabolic memberikan gaya tekan lebih merata sepanjang batang lengkungnya.
c. Tipe balok susun (girder). Jembatan yang ditumpu oleh sebuah/ beberapa plat yang dihubungkan dengan keling atau las sehingga membentuk bagian badan (web dan sayap (flange) yang berfungsi sebagai penahan gaya tekan dan tarik internal disebut jembatan system girder. Termasuk di dalam klasifikasi ini adalah box girder, hollowed girder, tubular girder, concrete box. Umumnya bahan yang digunakan baja tapi kadang beton.
d. Tipe balok tunggal (beams). Jembatan yang ditumpu oleh sebuah / beberapa balok yang di atasnya terdapat dek yang dapat dihubungkan secara monolitik (komposit) atau secara bebas. Bahan yang digunakan dapat terbuat dari kayu, baja atau beton.
e. Tipe plat (slab). Tipe ini banyak digunakan untuk jembatan sederhana, terbuat dari beton atau kayu lapis. Umumnya menggunakan system prategang untuk mengurangi ketebalan plat.
2
f. Tipe gantung (suspension). Termasuk dalam tipe ini adalah jembatan kabel (cable stayed) yang lebih kaku dibandingkan dengan jembatan gantung, yang sangat bergantung pada kabel penggantungnya.
Bagian-bagian Jembatan
Bagian-bagian jembatan adalah : 1) struktur atas (super structure) yaitu semua bagian jembatan di atas tumpuan, yang terdiri dari ; tumpuannya sendiri, balok utama longitudinal atau stringer/girder, system lantai (floor system) dan pengaku (bracing/ stiffener). Bagian-bagian sekunder lain adalah : parapet, dinding railing, anti kembang-susut, bahu, alat sambung dek dsb, 2) struktur bawah (sub structure) yaitu pangkal jembatan (abutments/ piers) dan struktur fondasi di bawahnya
Kerusakan-kerusakan Jembatan
Istilah kegagalan dalam artian keteknikan adalah tidak berfungsinya jembatan seperti yang direncanakan semula (non-complience). Untuk itu harus dibedakan dari istilah ketidak sesuaian (improper functions) jembatan karena perubahan beban kendaraan. Istilah yang pertama dikaitkan dengan kesalahan pelaksanaan, sedang istilah kedua dikaitkan dengan jembatan lama yang sudah tidak sesuai lagi dengan beban kendaraan yang baru.
Super structure.
Permukaan jembatan dilihat kerataannya dengan menggunakan waterpas/ leveling kemudian dibandingkan dengan gambar pelaksanaan (as built drawing) untuk melihat kemungkinan adanya penurunan dari abutments/piers atau kerusakan tumpuan sendi/roll/ bearing pad. Dek baja perlu dilihat ketebalannya menggunakan jangka sorong (caliper), hasil las-lasan/ rivet perlu dilihat kesempurnaannya. Korosi, retakan pada sambungan dek baja perlu dicatat dan diinventarisasikan. Permukaan dek baja sering dibuat bertekstur atau dikasarkan agar memiliki skid resistance yang cukup. Sistem lantai jembatan baja rawan terhadap korosi karena air hujan atau air tumpahan dari kendaraan akan mengalir ke bagian ini. Sisi atas sayap balok utama dan balok pengikat sering korosi. Demikian pula kekencangan baut/ rivet atau las di antara bagian-bagian itu perlu dicatat. Retak sering terjadi di sekitar sambungan/ baut/ rivet karena adanya konsentrasi tegangan oleh beban dinamik/ siklik/ getaran. Lendutan yang besar pada balok utama dapat menimbulkan puntiran dan lekukan (buckle), untuk itu perlu diperhatikan
3
khususnya pada saat beban kendaraan bekerja. Tumpuan sendi dan roll dari balok utama/stringer perlu dilihat apakah masih bekerja dengan baik, tidak berfungsinya roll dapat menjadikan tumpuan itu sebagai sendi yang berakibat adanya gaya horizontal pada abutments/ piers yang mungkin tidak direncanakan. Balok utama di bagian tengah lebih banyak menahan lentur sedang pada sekitar tumpuan menahan geser. Kerusakan lentur terlihat pada sayap sisi bawah berupa retakan/ pelelehan dan di sisi atas berupa lekukan (buckle), sedang kerusakan geser terlihat pada bagian badan (web). Keruskan oleh pelelehan terlihat sebagai remak-remak baja yang mengelupas dan berbentuk garis-garis saling-silang yang lembut (spider net).
Dek beton mungkin mengalami pengelupasan (scaling), pencepolan (spalling), retak (cracking) dan aus (wearing). Kerusakan di sekitar expansion joint atau construction joint sering juga terjadi karena perubahan temperature atau gerakan tanah atau jembatan. Korosi pada baja tulangan mengindikasikan adanya pengurangan kekuatan pada dek beton dan juga hilangnya lekatan baja tulangan dengan betonnya.
Sistem lantai jembatan beton dikaitkan dengan balok utama melalui balok pengikat/ pengaku/ bracing/ diapragma. Retak pada ujung-ujung bracing mungkin saja terjadi, juga retak-retak pada sayap sisi bawah balok utama prategang khususnya yang dikarenakan adanya overstress (overload). Balok utama beton bertulang mungkin akan mengalami retak lentur oleh beban berlebihan yang ditandai oleh retak vertical/ melintang sumbu panjang balok pada jarak-jarak tertentu. Retak-retak itu dapat mengundang uap air masuk lebih dalam sehingga dapat mengakibatkan korosi pada tulangan utama. Retak dengan lebar sampai 0,15mm masih dapat diterima tetapi perlu diwaspadai. Oleh pengaruh air asam atau garam, balok utama dan plat beton, khususnya pada sisi bawah, dapat terkorosi. Warna keputih-putihan merata menunjukkan adanya serangan garam, sedang warna keputih-putihan setempat dengan pola vertical menunjukkan adanya proses pelarutan kalsium karbonat oleh air. Reaksi air (H2O) dengan semen (C2S dan C3S) dalam pembuatan beton mempunyai kelemahan karena menimbulkan kalsium hidroksida, Ca(OH)2, yang dapat berreaksi dengan asam atau garam atau carbon di udara sehingga menimbulkan kalsium karbonat, CaCO3 atau gypsum CaSO4 atau kalsium klorida (CaCl) yang semuanya mempunyai sifat melemahkan beton atau baja tulangan.
Tumpuan jembatan berfungsi meneruskan beban berat jembatan dan kendaraan ke abutments atau piers. Umumnya tumpuan terbuat dari bahan yang sangat kuat misalnya baja keras atau karet keras yang dilapis plat baja. Tumpuan roll hanya berfungsi menahan beban vertical, sedang tumpuan sendi harus pula dapat meneruskan beban horizontal karena rem kendaraan.
4
Rubber bearing / bearing pad mempunyai fungsi ganda yaitu dapat menahan beban vertical dan juga gaya horizontal. Tumpuan karet keras ini kadang menimbulkan masalah karena memiliki kekenyalan sehingga dapat mengurangi kenyamanan pemakai jembatan yang pada gilirannya dapat mengurangi kestabilan.
Oleh adanya gerakan vertical dan horizontal searah sumbu jembatan maka pada sambungan dengan jalan dipasang alat yang memungkinkan gerakan itu dapat diakomodasi (sealant/ steel finger joint/ sliding plate joint/ bumper). Oleh adanya gerakan yang besar (kembang susut/ gaya rem/ gerakan tanah setempat) sering alat ini rusak atau aus.
Untuk mengamankan pejalan kaki dan pemakai kendaraan di jembatan dipasang curb dan railing. Kondisi keduanya harus dirawat dan dicat dengan jelas agar di waktu malam dapat dijadikan sebagai penuntun pemakai jalan (night visibility) .
Sub structure.
Kerusakan kolom dan pangkal jembatan umumnya disebabkan oleh beban air secara langsung berupa banjir atau berupa scouring. Beban air sering menyebabkan kolom penahan balok utama jembatan terdorong sehingga dapat menyebabkan keruntuhan pada jembatan. Sering pula bila air di bawah jembatan mengandung sulfat (missal pada jembatan di pinggir laut) maka serangan sulfat akan merusakkan kolom beton atau pleseteran dari pasangan batu kali.
Scouring terjadi karena butiran tanah lepas terbawa oleh arus air yang umumnya arus kuat terjadi pada saat banjir. Butiran yang lepas di sekitar piers atau abutments akan membahayakan kestabilan jembatan, khususnya bila tidak digunakan tiang pancang yang menumpu di atas tanah keras yang dalam. Dengan bertambahnya tinggi piers oleh scouring dapat mengurangi kekakuan struktur  menyebabkan gangguan stabilitas dan kekuatan.
Peristiwa scouring dapat dibedakan menjadi : 1) aggradation dan degradation (menumpuk dan menghilangnya butiran dalam jangka panjang karena lingkungan yang terusik atau peristiwa alami lainnya). Penumpukan dapat menyebabkan berkurangnya kecepatan  menaikkan elevasi muka air  menambah gaya lateral, 2) general scour, yaitu berkurangnya material suplai dari hulu ke hilir sehingga material di sekitar bangunan tidak tergantikan, 3) local scour, meningkatnya kecepatan air oleh adanya penyempitan di sepanjang aliran sungai (misalnya oleh abutments atau piers jembatan)  meningkatnya kecepatan akan membawa serta butiran lepas di sekitar bangunan itu. Kedalaman scouring sulit diprediksi tetapi “rule of thumb” mengatakan
5
bahwa kedalaman itu sama dengan 4 x selisih tinggi antara kondisi banjir dan kondisi paling rendah (low level).
Tata Cara Uji Kelayakan
Tatacara evaluasi kelayakan jembatan berdasarkan kemampuan jembatan menahan beban yang dimunculkan dalam bentuk faktor ketahanan (resistance factor) dibahas dalam tulisan di bawah ini. Faktor ketahanan dibagi dalam dua jenis : a) yang mendasarkan pada beban tertinggi (operating rating, opr) dan b) yang mendasarkan pada pada beban lebih rendah (inventory rating, inv). Beban tertinggi (operating rating) bersifat sementara, tidak terlalu sering dilakukan dan mendasarkan pada tegangan 75% tegangan lelehnya, sedang beban lebih rendah (inventory rating) mendasarkan pada 55% tegangan lelehnya, sering dilakukan dan berjangka panjang. Cara di atas mudah dilakukan pada evaluasi struktur baja atau kayu, namun tidak untuk beton. Untuk beton cara serupa dilakukan melalui rumusan berikut :
1. Tingkatan inventory :
ILLDLuinvMMMRF).3/5.(3,1.3,1
2. Tingkatan operating :
ILLDLuoprMMMRF.3,1.3,1
dengan :
Mu = momen terfaktor dari tampang plat atau gelagar, Mn
MDL = momen oleh beban mati
MLL = momen oleh beban hidup kendaraan
MLL+I = momen oleh beban hidup kendaraan dikalikan faktor kejut
RFinv = faktor ketahanan (rating factor) tingkatan inventory
RFopr = faktor ketahanan (rating factor) tingkatan operating
6
Umumnya momen nominal dihitung berdasarkan tulangan tunggal, berdasarkan tegangan leleh baja dan tegangan beton rencana/temuan lapangan dengan menggunakan konsep perancangan ultimit.
Di dalam Guide Specification for Strength Evaluation of Existing Steel and Concrete Bridges menggunakan persamaan umum seperti berikut :
)1.(...ILDRRFLDn
dengan :
I = faktor kejut oleh beban dinamik
L = pengaruh beban hidup kendaraan
D = pengaruh beban mati D = faktor beban mati D = faktor beban hidup
Ǿ = faktor reduksi kekuatan
Rn = kekuatan nominal
Faktor reduksi kekuatan biasanya diambil 0,8 sedang AASHTO menggunakan 0,9. Faktor kejut dapat didasarkan pada keadaan permukaan jalan di atas jembatan dan bervariasi antara 0,1 s/d 0,3 (bagus sampai sedang, rusak sedang, rusak berat). Faktor beban mati biasanya diambil 1,2 s/d 1,4 (diukur langsung atau prakiraan) sedang beban hidup 1,3 s/d 1,8  dengan pengawasan beban secara ketat (LHR < 1000 = 1,3 dan LHR > 1000 = 1,45) atau tanpa pengawasan beban secara ketat (LHR < 1000 =1,65 dan LHR > 1000 = 1,8). Faktor beban mati dan hidup ini masih dikalikan dengan faktor yang dikaitkan dengan cara analisis  standar AASHTO =1 (baja/ beton), hasil investigasi lapangan = 1,03 (baja) dan 0,9 (beton). Faktor reduksi kekuatan juga bervariasi antara 0,9 s/d 0,55 (kondisi permukaan jembatan bagus sekali atau jelek sekali).
Menggunakan peraturan baru terakhir ini factor-faktor kondisi lapangan sudah diikut sertakan yang terlihat pada fleksibilitas faktor beban dan reduksi kekuatan (kondisi lingkungan, peraturan, perawatan dan cara inspeksi), sedang cara sebelumnya hanya sekedar membalik suatu prosedur perancangan.
Untuk medapatkan RF diperlukan penghitungan kemampuan momen terfaktor (Mu) atau kemampuan nominal (Rn), sedang untuk mengetahui momen rencana (D atau MDL , L atau MLL)
7
diperlukan standar bebean truk. Ada beberapa klasifikasi jenis truk misal tipe HS, tipe H, tipe 3, tipe 3S2 dan tipe 3-3. Pemilihan disesuaikan dengan peraturan yang digunakan atau tujuan yang hendak dicapai.
Mendasarkan pada tipe truk tersebut dapat diperoleh pula beban kotor (berat sendiri dan beban muatan) dari masing-masing tipe truk yang diijinkan melalui jembatan tersebut.