A. Latar Belakang

Jembatan khusus didefinisikan sebagai suatu jembatan yang memiliki bentang yang panjang atau memiliki nilai strategi yang tinggi. Jembatan khusus merupakan salah satu infrastruktur penting yang memerlukan biaya yang relatif besar. Demikian juga pengaruh keberadaan jembatan tersebut akan memberikan dampak yang besar juga. Oleh karena itu proses pembangunan suatu jembatan khusus harus dilakukan secara hati-hati mulai dari tahap awal perencanaan hingga jembatan tersebut beroperasi sehingga diharapkan akan dapat mencegah penggunaan uang, waktu & sumber daya secara sia-sia.

Jembatan type Cable Stayed merupakan salah satu type jembatan khusus adalah suatu girder yang menerus dengan satu atau lebih menara yang di buat di atas pilar di tengah bentang. Dari menara-menara ini kabel direntang ke bawah secara diagonal (biasanya pada ke dua sisinya) & mendukung girder. Ilustrasi berikut menunjukkan jembatan tipe cable stayed yang diambil dari Yokohama Bay Bridge.


Kabel baja sangat kuat tetapi juga sangat fleksibel. Kabel sangat ekonomis karena kabel tersebut mengijinkan suatu struktur yang ramping & struktur yang ringan, dan hal ini masih dapat dilakukan pada bentang yang panjang. Hanya melalui sedikit kabel saja, sudah cukup kuat untuk mendukung seluruh jembatan.

Karena jembatan Cable Stayed termasuk kepada salah satu struktur yang fleksibel, maka efek angin pada struktur menjadi sangat penting untuk dikaji. Jika jembatan tidak dirancang dengan secara cermat, suatu fenomena ketidakstabilan aeroelastik yang berbahaya dapat saja terjadi. Dengan metoda analitik maupun komputasional, kecepatan angin kritis yang menimbulkan ketidakstabilan aeroelastik cukup sulit untuk dipredikasi, sampai saat ini analisis eksperimental di terowongan angin masih tetap menjadi andalan terbaik. Dari berbagai analisis eksperimental, analisis dengan model penuh adalah salah satu metoda yang paling dekat dengan sebenarnya. Hampir semua komponen struktur disertakan dalam pemodelan, begitu pula interaksi dinamik antar komponen struktur dapat diamati.

Pada jembatan bentang panjang selalu terjadi hubungan dinamis antar gaya terpaan angin (aerodinamika) & gerakan (dinamika) struktur jembatan. Interaksi ini dikenal dengan interaksi aeroelastik.
Ada dua fenomena menonjol dari hubungan aeroelastik tersebut, yaitu kibaran (flutter) dan getaran induksi pusaran atau vortex induced vibration (VIV). Fluter terjadi karena struktur tidak lagi mampu meredam energi dari angin yang menghantamnya. Baik fluter maupun getaran induksi putaran ke dua-duanya dapat menghacurkan jembatan. Perbedaannya, flutter terjadi pada kecepatan angin yang tinggi, sedangkan getaran induksi pusaran menghacurkan jembatan dengan tiupan yang biasa saja. Karena itu jembatan bentang panjang menetapkan standar kecepatan kritis flutter yang tinggi sekali. Penetapan flutter ini menyangkut pada saat konstruksi pekerjaan & pada saat ketika jembatan beroperasi (masa layanan).

Berbeda dengan angin perkotaan, angin yang berasal dari lautan dengan golakan yang rendah, justru membahayakan jembatan, karena datangnya angin searah & seragam, sehingga ketika angin memukul sisi jembatan, pusaran di sisi lain akan besar. Sedangkan angin di perkotaan tidak berbahaya, karena banyaknya penghalang, maka turbulensi angin akan sangat besar. Sehingga ketika angin memukul jembatan tidak dari arah yang kompak. Pusaran yang timbulkan tidak besar, dan pusarnnya hancur, maka resonansi terhadap jembatan rendah.

Getaran pada jembatan terjadi karena dua hal, yaitu karena resonansi dan ketidakstabilan struktur jembatan. Resonansi terjadi karena interaksi antara pusaran angin di belakang dek dengan struktur jembatan. Sedangkan ketidakstabilan terjadi jika jembatan gagal meredam energi angin. Karena angin tidak bisa diredam maka jembatan akan bergetar.

Resonansi terjadi pada angin yang smooth, dan pada kecepatan angin yang rendah. Pada angin turbulensi tinggi, dek tidak mengalami resonansi melainkan ketidakstabilan struktur yang meningkat secara perlahan-lahan.

Sebelum melakukan pengujian terowongan angin di laboratorium, diperlukan melakukan pengumpulan data yang dibutuhkan untuk uji coba terowongan angin tersebut, melakukan kajian terhadap parameter-parameter pembuatan model struktur untuk mode struktur full scale model test.

Selain melakukan uji laboratorium terowongan angin akan dilakukan juga simulasi Computational Fluid Dyanamic (CFD) terhadap penampang jembatan. Hasil pengamatan dari simulasi CFD ini akan dibandingkan dengan hasil uji laboratorium. Ilustrasi pengujian terowongan angin, TS berikan video berikut yang diambil saat uji Jembatan Kwangyang,


Kebetulan beberapa waktu lalu, TS mendapat kepercayaan sebagai PO (Project Officer/Penanggung jawab Operasional) untuk pengujian terowongan angin Jembatan Cable Stayed Galala Poka yang melintasi Teluk Ambon sebagai bentuk kerja sama antara Ditjen Bina Marga dengan UPT-Laboratorium Aero-Gas Dinamik & Getaran BPPT.

Untuk pengujian ini telah digunakan terowongan ILST (Indonesian Low Speed Tunnel), yakni salah satu terowongan angin yang di operasikan oleh UPT-LAGG BPPT. Dimana seksi uji terowongan adalah 3m x 4m x 10m dan dapat memberikan 2 jenis profil angin:

1. Angin ABL (Atmospheric Boundary Layer) yang high turbulence
   
2. Angin smooth seragam yang low turbulence
   

Tulisan dalam thread ini difokuskan pada deteksi fenomena aeroelastik, yakni interaksi dinamik antara aspek aerodinamika struktur dengan inersia struktur, serta gaya/momen aerodinamika steady.


B. Gambaran Umum Jembatan Galala Poka

Jembatan Galala-Poka berada di daerah teluk yang memiliki arus angin yang cukup kencang. Jembatan ini merupakan jembatan bentang panjang, dimana perilaku aerodinamik sangat dominan sehingga perlu mendapatkan perhatian khusus untuk analisis dinamiknya. Jembatan Galala-Poka termasuk tipe jembatan khusus dengan sistem struktur yang tidak standard, sehingga perlu dilakukan kajian mendalam dan uji laboratorium terowongan angin.

Lokasi Jembatan Galala Poka ditunjukkan pada gambar di bawah ini,



Data Jembatan Galala Poka adalah sbb :

• Jembatan pendekat 440 meter di sisi selatan daerah Galala;
  
• bentang utama berupa jembatan cable-stayed 300 meter;
  
• Jembatan pendekat 360 meter di sisi utara daerah Poka;
  
• Lebar total jembatan kurang lebih 22 meter;
  
• Jumlah jalur lalu-lintas 4 dan 2 jalur pejalan kaki;
  
• Lebar jembatan 21.5 meter;
  
• Lebar lalu lintas 2 x 7.15 meter;
  
• Lebar median 0.5 meter;
  
• Lebar pedestrian 1.2 meter;
  
• Jarak antar cable di deck 9.0 meter;
  
• Jarak antar cable di pylon 4.0 meter;
  
• Jumlah kabel 28 buah (2 x 2 x 7);
  
• Sistem deck lantai berupa gelagar box girder;
  
• Menggunakan dua buah pylon bentuk-H dari konstruksi beton;
  
• Sistem kabel penggantung (cable stayed) terdiri dari 2 bidang (plan) kabel secara individu diangkur pada bagian atas tower dan diangkur pada bagian bawah dari bagian terluar dari gelagar box beton;
  
• Bangunan bawah jembatan berupa pile-cap beton untuk setiap tower yang didukung oleh bore pile beton;
  
• Metode konstruksi lantai kendaraan dapat berupa pelaksanaan dengan pemasangan rangka dukungan sementara atau dengan perancah berjalan;
  

C. Tujuan Pengujian Terowongan Angin pada Jembatan Bentang Panjang

• Mempelajari efek beban angin terhadap keamanan dan stabilitas jembatan bentang panjang;
  
• Mendapatkan jaminan kehandalan system struktur terhadap pengaruh angin pada jembatan bentang panjang selama tahap pelaksanaan dan masa layanan;
  
• Mendapatkan keyakinan tentang pemilihan struktur berdasarkan hasil wind tunnel test;
  
• Gambaran umum tentang analisa beban angin sebagai beban statik dan peninjauan sebagai beban dinamik;
  
• Gambaran secara detail tentang perilaku aerodinamik pada kondisi linear elastik dan kondisi non linear;
  
• Menguji tingkat stabilitas struktur pada kondisi beban statik; (divergence, lateral buckling) dan beban dinamik (galloping, flutter, gust, buffeting);
  
• Desain model struktur sedemikian sehingga efek negatif dari angin dinamik terjadi jauh di atas kecepatan rencana;
  

D. Pemodelan Sistem Struktural dengan Finite Element Method

Parameter dinamik dari jembatan dianalisis dengan menggunakan software TDV RM dan MIDAS (asli menggunakan lisensi resmi, bukan bajakan lho !). Komponen-komponen jembatan yang dipertimbangkan didalam pemodelan ini adalah sebagai berikut;

• Girder utama dimodelkan dengan menggunakan elemen-elemen balok 3D (3D beam elements) yang terbuat dari beton;
  
• Kabel-kabel dimodelkan menggunakan 3D cable elements. Kabel dan girder kemudian dihubungkan dengan balok melintang yang kaku (transverse rigid beam);
  
• Pylon dimodelkan dengan menggunakan 3D beam elements, yang terbuat dari beton;
  
• Pilar dimodelkan dengan menggunakan 3D beam elements, yang terbuat dari beton;
  
• Interaksi antara tanah dan Struktur juga diperhitungkan dalam permodelan untuk agar kekakuan pondasi dapat dimodelkan secara akurat;
  
• Struktur yang ada di sebelah Jembatan Utama juga dimasukkan dalam permodelan.
  

Hal lebih detail tentang analisis struktur silakan agan/sist pelajari di thread yang TS tulis (http://www.kaskus.co.id/thread/5271f...lisis-struktur )
Berdasarkan tahapan pemodelan di atas, diperoleh frekuensi alami dan mode getar dalam bentuk tabel di bawah ini:

Gambar berikut menunjukkan ilustrasi perilaku dinamika struktur jembatan dominan untuk 4 mode getar pertama.

Hasil lebih lengkap bisa agan/sist download di sini




E. Pengujian Section Model

Seksional model adalah model yang mereplika bentuk geometry penggalan tengah dek jembatan. Skala perkecilan untuk model seksional jembatan Galala-Poka adalah 1 : 50. Suatu skala yang cukup memadai, sehingga hampir semua komponen dan profil penampang struktur dek dapat dimodelkan. Adapun model yang digunakan menggunakan skala 1 : 50.

Model terbuat dari kombinasi sejumlah material: carbon steel, brass, aluminium, kayu dan plastic. Model frame dan plate utama terbuat dari besi, ribs dan pagar dari brass serta plat penguat di sisi dan kanan terbuat dari aluminium dural. Ada 45 lubang tekanan yang mengukur distribusi tekanan sekeliling penampang model dek jembatan, konfigurasinya ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Setiap lubang tekanan terhubung dengan sistem instrumentasi (transducer tekanan) melalui pipa-pipa kecil yang dipasang di dalam model. Untuk uji model seksional hanya digunakan satu model angin, yakni angin smooth, karena data yang diukur adalah gaya/momen aerodinamika steady.

Berikut disajikan beberapa dokumentasi saat pengujian section model,






Gaya aerodinamika steady adalah gaya aerodinamika yang timbul akibat aliran angin pada struktur yang statik. Dengan demikian pengujian terowongan angin untuk mendapatkan gaya steady ini, dapat dilakukan pada model seksional statik.

Uji Seksional Model Jembatan adalah uji terowongan angin yang mereplika penggalan struktur dek jembatan bentang tengah (main-span). Gaya/momen aerodinamika statik yang timbul ketika angin melaluinya, dapat ditentukan melalui pengukuran distribusi tekanan sekitar model dek. Sejumlah lubang tekanan dipasang mengelilingi potongan penampangnya model dek. Tekanan yang terbaca, yakni tekanan pada masing-masing lubang ke-i (Pi), kemudian di konversikan menjadi koeffisien tekanan ke-i (Cpi) yang berupa parameter aerodinamika non-dimensional.

Hasil akhir dari pengujian section model adalah menentukan koefisien gaya angkat CL, koefisien gaya hambat CD dan koefisien momen CM. Analisisnya lihat gambar di bawah ini :



Dengan demikian koeffisien gaya-angkat (CL) dan koeffisien gaya-hambat (CD) adalah hasil transformasi CN dan CT terhadap sudut datang angin, α. Sedangkan koeffisien momen (CM) akan sama untuk semua variasi α.

Besar gaya/momen aerodinamika untuk kecepatan angin U di terowongan angin, dapat diperoleh dari persamaan berikut



Karena CL , CD dan CM adalah parameter kesetaraan non-dimensional, maka nilainya akan sama , baik untuk struktur dek model maupun struktur dek jembatan prototype. Maka gaya/momen aerodinamika untuk struktur jembatan sebenarnya,



Variasi sudut datang angin pada model dilakukan secara berurut dari -10° sampai dengan +10°. Begitupula variasi kecepatan angin, mulai dari UTA = 10 m/s (Up = 56 m/s) sampai dengan UTA = 30 m/s (Up = 168 m/s). Adapun untuk kecepatan angin rendah (UTA < 10 m/s) tidak dilakukan pengukuran, karena distribusi tekanannya akan sangat fluktuatif sehingga data aerodinamika yang dihitung juga menjadi kurang akurat. Sehingga untuk kecepatan angin rendah (UTA < 10 m/s), secara prinsip karakteristiknya akan mirip dengan (UTA > 30 m/s). Namun secara teori, koefisien gaya/momen aerodinamika steady tidaklah terlalu dipengaruhi kecepatan angin (hal ini juga dapat dilihat pada hasil pengukuran dalam bentuk gambar di bawah ini.


Gambar di atas menunjukkan bahwa secara total kurva CL vs. α memilki kemiringan positif. Namun secara parsial dapat dilihat bahwa kemiringan-kurva negatif antara α = -10° sampai dengan α = -2°. Kurva positif baru terjadi antara α = -2° sampai dengan α = +6°. Walupun CL tetap negatif sampai dengan α = 4°. Diatas α= 6° , tampaknya sekitar dek telah terjadi separasi aliran yang tinggi, sehingga dek kehilangan gaya angkatnya. Gaya lift ini akan berpengaruh langsung pada besarnya defleksi dek gerak heaving.


Gambar di atas menunjukkan bahwa gaya drag relatif stabil selama variasi α, terendah terjadi pada α = 4° dan tertinggi pada α = -10°. Gaya drag ini akan berpengaruh langsung pada besarnya defleksi dek gerak swaying.


Gambar di atas menunjukkan bahwa moment-pitch secara total juga memiliki kemiringan kurva yang positif. Hanya kenaikannya tidak terlalu besar selama variaisi α. Fluktuasi yang besar terjadi pada kecepatan angin rendah UTA = 10 m/s (Up = 56 m/s). Moment-pitch berfungsi mengembalikan defleksi dek apabila mendapat angin dengan α ≠ 0. Moment-pitch ini akan berpengaruh langsung pada besarnya defleksi dek gerak torsion.




F. Pengujian Full Model

Model dirancang untuk mereplika semaksimal mungkin detail komponen-komponen jembatan sesungguhnya (terutama untuk dek, tower/pylon dan kabel), namun karena struktur jembatan sesungguhnya masih berbentuk gambar (desain), maka dalam laporan ini jembatan sesungguhnya tersebut akan disebut dengan jembatan prototype. Model yang digunakan menggunakan skala 1 : 100.

Dalam pembuatan model terowongan angin, konstruksi model harus memenuhi kaidah-kaidah kesetaraan aeroelastik yang ditentukan, agar model setara secara aerodinamika maupun dinamika strukturnya. Karakteristik dinamika struktur (flexural dan torsional rigidity) jembatan sesungguhnya (prototype) di replika di model dengan beberapa metal spine yang dikalibrasi terlebih dahulu. Sedangkan karakteristik aerodinamika direplika dengan bentuk geometri yang setara. Begitupula derajat kebebasan gerak struktur harus setara dengan jembatan prototype.