METODA UJI MODEL SEKSIONAL DEK SEBAGAI DASAR ANALISIS ...

Metoda Uji Model Seksional Dek sebagai Dasar Analisis Aeroplastik Jembatan Bentang Panjang (Fariduzzaman)________________________________________________________________________________________________

ISSN 1410-3680 71

METODA UJI MODEL SEKSIONAL DEK SEBAGAI DASARANALISIS AEROELASTIK JEMBATAN BENTANG PANJANG

TEST METHOD OF SECTIONAL MODEL DECK AS A BASICANALYSIS FOR LONG SPAN BRIDGE AEROELASTICITY

FariduzzamanLAGG-BPPT, PUSPIPTEK Serpong,

Tangerang Selatan-15314, telp. 021-7560902, fax. 021-7560901,e-mail: [email protected]

Abstrak

Analisis eksperimental (uji terowongan angin) untuk rancangan jembatanbentang panjang, kebanyakan dilakukan dengan uji model seksional dan modelpenuh. Keduanya memiliki kelebihan dan kelemahannya. Namun uji modelseksional lebih populer untuk digunakan pada analisis aerodinamika jembatanbentang panjang, sekalipun kemudian dilakukan juga uji model penuh. Karena ituuji model seksional dapat dianggap sebagai dasar atau langkah pertama untukanalisis aeroelastik jembatan bentang panjang. Makalah ini akan menguraikanbeberapa aspek penting dari uji model seksional termasuk kelebihannya. Suatustudi kasus juga akan diberikan, untuk memberikan gambaran yangkomprehensif dari proses uji model seksional. Sebagai kesimpulan dapatdisampaikan bahwa, uji model seksional sebenarnya dapat memberikan seluruhparameter dasar aeroelastik yang diperlukan oleh perancang jembatan.

Kata kunci : Rancangan jembatan bentang panjang, Dinamika struktur, Getaran,Aeroelastika, Aerodinamika, Uji terowongan angin

Abstract

Experimental analysis (wind tunnel test) of long span bridge designs mostlyperform in sectional or full model test, both has its good and weak points. Thesectional model test is more popular to apply in many long span bridgesaerodynamic analysis, eventhough the full model test should also be tested lateron. Therefore the sectional model test can be regarded as a basic or startingstep to the analysis of a long span bridge aeroelasticity. The following paper willdescribe several important aspects of sectional model test and its benefit. A casestudy will also be included to give a comprehensive figure of a sectional modeltest processes. As conclusion, the sectional model test can provide the wholebasic aeroelastics parameters which is required by the bridge designer.

Keywords, Long-span bridge design, Structural dynamics, Vibration, Aeroelastic,Aerodynamics, Wind tunnel testing

Diterima (received) : 18 April 2016, Direvisi (reviewed) : 10 Mei 2016, Disetujui(accepted) : 15 Juni 2015

PENDAHULUANJembatan bentang panjang adalah

jembatan yang menjadi fleksibel karenabentangannya yang panjang. Rasio panjangterhadap lebar dek (slenderness ratio) tinggiatau strukturnya biasanya menggunakanpenyangga kabel. Karena itu strukturjembatan bentang panjang menjadi sensitif

terhadap beban angin (aerodynamic loads)dibanding beban gempa (seismic loads) 1,

18,20).

Dalam beberapa hal, struktur jembatanbentang panjang juga memiliki karakteristikyang sama dengan sayap pesawat terbang.Perbedaannya yang mendasar, strukturjembatan mirip batang berpenumpu

M.P.I. Vol.10, No 2, Agustus 2016, (71 - 86)

72 ISSN 1410-3680

sederhana (simply supported beam)sedangkan sayap pesawat terbang adalahcantilever beam.

Uji terowongan angin berperan besardalam verifikasi rancangan jembatan bentangpanjang. Tanpa melalui uji terowongan angin,pembangunan jembatan bentang panjangmemiliki resiko kerusakan yang sederhanadan berulang sampai yang sekaligus fatalmenghancurkan.

Pada keadaan tertentu yang disebutkecepatan angin kritis, struktur jembatanbentang panjang dapat mengalami keadaantak-stabil aeroelastik, baik yang temporermengganggu seperti resonansi denganfluktuasi aliran udara (vortex), maupun yangfatal menghancurkan seperti flutter.

Penggunaan model dalam analisiseksperimental aeroelastik jembatan bentangpanjang, mulai dikenal ketika terjadikehancuran jembatan Tacoma Narrow 1940.Pada waktu itu Jembatan Tacoma Narrowdianalisis dengan model penuh (full model)maupun model seksional. Namun kemudiansectional-model menjadi lebih populerpenggunaanya karena dapat memberikanpula parameter yang dihasilkan model penuh,disamping praktis, ekonomis dan dapat dibuatdengan skala lebih besar.

Pada uji model-penuh, modelmereplika bentuk geometri dalam 3 dimensi,begitupula karakteristik dinamika struktur danaliran anginnya dibuat dalam 3 dimensi.Sehingga dapat dikatakan bahwa model me-replika hampir semua elemen-struktur darijembatan bentang panjang, termasuk aliranangin sekitarnya yang bergerak dalam 3Derajat Kebebasan (DOF - degree offreedom).

Pada model seksional, bentuk geometrimaupun dinamika strukturnya mereplikagerakan potongan dek bagian tengahbentangan jembatan secara 2 DOF, termasukaliran anginnya yang dibatasi pada 2dimensi. Sebagai ilustrasi ditunjukkan tipikalpemasangan model uji seksional di Gambar 1dan model uji penuh di Gambar 2.

Gambar 1.Tipikal Uji Model Seksional (Sectional Model)

Gambar 2.Tipikal Uji Model Penuh (Full Model)

Kini banyak ahli aerodinamikajembatan yang menyarankan bahwa apabilatujuan perencana hanya ingin mengetahuikecepatan kritis resonansi dan flutter maka ujimodel penuh dapat diabaikan. Uji modelpenuh sangat diperlukan apabila menghadapikondisi berikut ini :a) Adanya efek angin turbulen, sehingga

terjadi gerakan acak pada dek jembatandan mampu merubah karakteristikstabilitas jembatan 11), dan;

b) Ditemukan fenomena khusus yang tidaklazim terjadi, misalnya defleksi lateralrelatif besar pada jembatan denganbentangan sangat panjang 14)

Aspek lain yang terkadangdipertanyakan ketika menguji model jembatanseksional adalah jenis angin yang digunakandi terowongan angin. Karena angin alamadalah angin yang tak beraturan berbedadengan angin di terowongan angin yanguniform dan tingkat turbulensinya yangrendah (smooth). Sekalipun pada dasarnyaangin di dalam terowongan angin dapat diatursebagai angin smooth (jarang terjadi di alam)atau angin turbulen (terjadi di alam).

Pengalaman menunjukkan bahwadalam angin smooth, fenomena ketak-stabilan aeroelastik lebih tegas terlihat.Sedangkan dalam aliran dengan tingkatturbulensi tinggi, fenomena ketakstabilansering tertutup oleh osilasi random strukturyang naik secara gradual dengan naiknyakecepatan angin. Untuk itu, kini di LAGG(Laboratorium Aero-Gas dinamika danGetaran), lebih banyak dilakukan uji modelseksional dengan angin smooth. Gambar 3menunjukkan Terowongan Angin ILST,dengan dimensi-nya ditunjukkan di Gambar 4.


ISSN 1410-3680 73

Gambar 3.Tampak Depan Terowongan Angin ILST

Gambar 4.Dimensi dan Sketsa ILST

Dengan demikian, secara nasionalIndonesia telah mampu menguji strukturjembatan bentang panjang, dengantersedianya fasilitas terowongan angin ILSTdi PUSPIPTEK Serpong dan keahlian sumberdaya manusia yang memadai 11).

BAHAN DAN METODAStudi Kasus

Sebagai laboratorium aero-dinamika,lebih dari 10 jembatan bentang panjangIndonesia telah di uji dan di analisis di LAGGmenggunakan terowongan angin ILST(Indonesian Low Speed Tunnel). LAGG kinimenjadi satu-satunya operator terowonganangin di Indonesia yang dapat melakukanpengujian jembatan bentang panjang sesuaidengan Peraturan Menteri Pekerjaan Umumno. 448 / KPTS / M / 1995 tentang Klasifikasidan Kualifikasi Laboratorium PengujianBidang Pekerjaan Umum yang minimal harusmemiliki spesifikasi laboratorium uji anginsebagai berikut:o Panjang : 60 m (1 sirkulasi pada sumbu

tengah)o Panjang : 10 m (dimensi maksimum)o Tinggi diatas tanah min : 5.5 mo Kecepatan angin : 10 – 100 m/so Berat model : 25 kg

Sebagai studi kasus, pengujianterowongan angin diambil dari suatu analisisdesain jembatan bentang panjang yang akandibangun di Propinsi Papua. Gambaranjembatan untuk studi kausu ditunjukkan padaGambar 5. Jembatan adalah jenis JembatanGantung (Suspension Bridge) dengan modelterowongan anginnya menggunakan skalaperkecilan 1:40, atau n = 40. Sehingga dapatdibuat perbandingan spesifikasi geometriantara model dan struktur sebenarnya sepertiditunjukkan di Tabel 1.

Tabel 1.Perbandingan Dimensi

(Skala model 1:40)Ltotal Bdek Ddek Hdek-

waterPrototype 960 m 25.8 m 3.5 m 32 mModel-Seksional 1.2 m 0.645 m 0.088 m 0.8 m

Pengujian dilakukan dalam seksi ujiterowongan angin ILST, dengan terlebihdahulu memasang dummy wall sebagaipenyangga model. Hal ini dilakukan agarukuran model tidak terlalu besar (lebihekonomis) tapi menjaga aliran angin supayatetap 2 dimensi.

Model uji terowongan angin dibuatdengan tetap menjaga bentuk dan ukurangeometry yang selalu memenuhi skalaperkecilan 1:40. Adapun bahan maupun sifatdinamika struktur model dirancangsedemikian rupa sehingga selalu memenuhikaidah kesetaraan aeroelastik dan dinamikastruktur.

Gambar 5.Gambaran Jembatan Untuk Studi Kasus

Dimensi keseluruhan jembatanditunjukkan pada Gambar 6. Gambar 7menunjukkan potongan melintang dekjembatan.


74 ISSN 1410-3680

Gambar 6.Dimensi Keseluruhan Jembatan untuk Studi

Kasus

Gambar 7.Bentuk dan Potongan Melintang Dek Dari

Jembatan Untuk Studi Kasus

Teori Aerodinamika Pada JembatanKetika aliran angin melalui suatu

struktur fleksibel, maka timbullah fenomenaaerodinamika mantab (steady) dan tak-mantab (unsteady). Aerodinamika mantabmenimbulkan gaya dan momen aerodinamikamantab di struktur itu sendiri. Aerodinamikatak-mantab terjadi karena struktur yangdilaluinya fleksibel, sehingga terjadi interaksidinamik antara aerodinamika dan dinamikastruktur, yang dikenal dengan fenomenaaeroelastik.

Gaya dan moment aerodinamikamantab dapat diperoleh secara eksperimentalmaupun komputasional. Namun hasil analisisCFD (Computational Fluid Dynamics) dalambeberapa hal, akurasi nilai kuantitatifnyamasih meragukan, terutama untuk bentuk-bentuk non-streamline seperti struktur dekjembatan. Hasil CFD banyak berperan dalammemperoleh kesimpulan global atau trenddata, serta analisis medan aliran.

Lain halnya dengan hasil analisiseksperimental, pada umumnya hasilnya akanakurat selama kualitas model yang dibuatmemenuhi spesifikasi yang ditentukan, sertametoda pengukuran yang digunakan sesuaidengan standar uji aerodinamik.

Untuk mengukur gaya dan momenaerodinamika mantab pada model seksional,dilakukan dengan:

- Alat ukur gaya (timbangan / balance)yang dipasang pada as (shaft) modelseksional dek 18)

- Alat ukur tekanan yang dipasang diseluruh lubang tekanan yang mengelilingisisi permukaan irisan model

Pengukuran dengan timbangansifatnya praktis dan langsung, artinya gaya N(normal), T (tangential) dan M (moment)dapat diketahui langsung dari alat ukur.Sedangkan pengukuran dari tekanan tidakpraktis dan tidak langsung, artinya gaya N, Tdan momen M baru dapat diketahui setelahmelalui proses integrasi tekanan yangdinyatakan dalam bentuk koeffisien tekanan(Cp). Distribusi pengukuran tekanan padamodel ditunjukkan di Gambar 8. Gambar 9menunjukkan notasi dan arah gaya danmomen pada model.

Gambar 8.Tipikal Distribusi dan Urutan Nomor Lubang

Tekanan

Gambar 9.Notasi dan Arah Gaya - Momen di Model 2)

Jika pi adalah tekanan di lubang ke i, adalah kerapatan udara dan U adalahkecepatan aliran angin. Maka koeffisientekanan di definisikan sebagai berikut 1),

qpCp i

i (1)

dimana,q adalah tekanan dinamik, yang didefinisikan,

(2)

Kemudian koeffisien gaya normal (CN),koeffisien gaya tangential (CT) dan koeffisienmomen dapat ditentukan dari integrasi berikut2),

Cpdxb1CN

(3)

Cpdyb1

TC (4)


ISSN 1410-3680 75

Cp.y.dyCp.x.dxb1C 2N (5)

CL adalah transformasi CN terhadapsumbu angin melalui sudut , CD adalahtransformasi CT terhadap sumbu anginmelalui sudut , CM adalah sama untuk =0dan 0. Maka gaya angkat L, gaya hambatD dan momen puntir M dapat dihitung daripersamaan berikut 3),

Lq.B.CL (6)

Dq.B.CD (7)

M.C2q.BM (8)

dimana,U : kecepatan aliran angin [m/s], B : lebar dekjembatan [m].

Teori Aeroelastik Pada JembatanInduksi Resonansi

Osilasi atau getaran dapat muncul distruktur jembatan bentang panjang karenainduksi resonansi, baik oleh angin sepertifluktuasi vortex atau oleh gerakan mekanikseperti kendaraan yang lewat atau faktorseismik. Fenomena ini disebut denganResonance Induced Vibration (RIV) 5).

Gambar 10.Tipikal Struktur Tidak Streamline dan

Perubahan Sudut Serang ( )

Pelepasan aliran (separation) daripermukaan struktur akan diikuti denganpembentukan vortex di wake (belakangbenda) yang disebut pula vortex sheddingatau Von Karman Vortex 4).- Jika struktur berbentuk silinder atau ellips,

maka titik separasi akan bergeserposisinya sesuai dengan bilanganReynolds (Re) yang terjadi

- Jika struktur berbentuk tidak streamline(banyak tepi tajam) maka posisi titikseparasi akan tetap posisinya, yakni dipermukaan yang tajam tersebut. Dengankata lain jika ini terjadi, maka efekbilangan Reyolds dapat di relaksasi.

Karena pembentukan vortex di wakemenunjukkan suatu ulakan yang periodikseperti pada Gambar 10 dan 11, maka vortex

ini menghasilkan pula suatu frekuensifluktuasi yang disebut dengan frekuensiStrouhal (fs) 6).

Gambar 11.Siklus Vortex

Frekuensi vortex (frekuensi Strouhal, fs)yang dihasilkan akan dipengaruhi olehkecepatan angin yang mengalir (U), karenaitu Strouhal menemukan hubungan inisebagai suatu bilangan konstan yang dikenaldengan Bilangan Strouhal (St). Apabila dadalah ukuran dimensi rujukan dari struktur,maka hubungan tersebut adalah 3),

(9)

Tampak bahwa fs berbanding lurusdengan U. Sehingga apabila dilakukaneksperimen dan osilasi struktur diukur denganaccelerometer, maka fenomena ini akanterlihat sebagai puncak-puncak kurvaakselerasi yang frekuensinya bergeserdengan perubahan kecepatan angin.Sedangkan kemiringan kurva (slope) akansama dengan 6).

(10)

dimana, St dan d adalah konstan.Dengan berubahnya U frekuensi

fluktuasi vortex akan bergeser pula. Jikasuatu ketika pegeseran fS mendekati atauberimpit dengan salah satu frekuensi naturalstruktur (fH - Heaving, fT – Torsion atau fL –Lateral), maka fenomena resonansi akanterjadi. Secara simulasi CFD fenomenapembentukan vortex di tunjukkan di Gambar12. Struktur akan berosilasi dengan amplitudoyang tiba-tiba naik dengan bertambahnyakecepatan angin, sampai pada satukecepatan dimana amplitudo osilasi jadimaksimum pada kecepatan angin kritis.Kemudian jika kecepatan angin terusdinaikan, maka setelah kecepatan angin kritisini, amplitudo osilasi akan turun kembalisecara cepat.


76 ISSN 1410-3680

Gambar 12.Tipikal Simulasi Pembentukan Vortex di Dek

Jembatan

Gambar 13 menunjukkan pergeseranfrekuensi osilasi dari frekuensi Strouhal (fs)dengan bertambahnya kecepatan angin.Maka ketika frekuensi Strouhal berimpitdengan frekuensi natural torsi untuk struktur(fT) terjadilah resonansi. Dari fenomena inidapat dilihat bahwa induksi osilasi padastruktur dek jembatan terjadi karena fluktuasivortex di wake, karena itulah fenomena inidisebut dengan Vortex Induced Vibration(VIV). Kecepatan angin kritis dimana VIVterjadi ditulis UVIV. Selanjutnya apabila diamatisecara cermat, kenaikan amplitudo frekuensiStrouhal (vortex shedding frequency) tidakhanya terjadi di satu kecepatan angin UVIVsaja, tapi juga dalam satu jangkauan (range)kecepatan. Sebelumnya amplitudo mulai naikdari satu kecepatan angin rendah, kemudianbertambah tinggi dan puncak resonansiterjadi di UVIV. Apabila kecepatan anginsemakin tinggi maka amplitudo kini turun danberakhir di satu kecepatan angin.

Gambar 13.Pergeseran Frekuensi Strouhal dan Eksitasi

Amplitudo Osilasi Oleh Resonansi

Fenomena bertahannya osilasi strukturpada satu frekuensi dengan kecepatan anginyang berubah, dikenal sebagai fenomenalock-in. Fenomena lock-in ini ditunjukkan diGambar 14. Struktur melepaskan diri darilock-in karena telah memiliki energi yangcukup. Diluar lock-in frekuensi osilasi akanbergeser dengan perubahan kecepatan angin(flow velocity).

Gambar 14.Fenomena Lock-in 3)

Fenomena menarik lainnya yangterjadi dari induksi resonansi adalah prosesseparasi / pemisahan aliran di permukaandek, yakni terlepasnya aliran dari permukaanstruktur, baik karena aliran permukaan yangterhalang (obstacle) seperti pagar ataukarena permukaannya yang tidak streamline.Pemisahan aliran yang menimbulkan induksiresonansi karena aliran yang terhalangditunjukkan pada Gambar 15.

Gambar 15.Separasi karena aliran terhalang: Pagar

(railing), Pemisah Jalur (lane-separator) danGelagar (girder)

Karena distribusi separasi antarabagian atas dan bawah permukaan dekberbeda, maka distribusi tekanan udara punakan berbeda 15). Sehingga fenomena inimenginduksi getaran dek jembatan secaravertikal (heaving) dengan kecepatan anginyang bisa sangat rendah. Fenomena inidisebut dengan LSHR (Low-wind SpeedHeaving Resonance) dan kecepatan anginkritis dimana LSHR terjadi dituliskan, ULSHR.Kejadian LSHR pada dek jembatanditunjukkan pada Gambar 16.

deck modelWIND

Pergeseran FrekuensiStrouhal

Resonansi

Frekuensi Torsi


ISSN 1410-3680 77

Gambar 16.Resonansi LSHR

Fenomena resonansi pada strukturjembatan bentang panjang menimbulkanfenomena yang disebut dengan LCO (LimitedCycle Oscillation), yakni terjadinya osilasipada komponen struktur jembatan dengansiklus terbatas dan tidak segera merusak.

Hampir sebagian besar jembatanfleksibel tidak dapat menghindari LCO, baikoleh: induksi vortex, LSHR maupun buffeting.Untuk mengatasi hal ini langkah pertamayang harus dilakukan oleh perencana adalahmencari profil penampang yang paling kecilmemberikan efek LCO, apakah melalui coba-coba di terowongan angin maupun analisiskomputasional (Computational FluidDynamics, CFD). Efek negatif LCO barutimbul jika tidak diantisipasi sejak awal ataukurangnya perawatan jembatan selamaoperasionalnya. Oleh sebab itu fenomenaaeroelastik akan terjadi pada jembatanbentang panjang seperti yang ditunjukkanpada Gambar 17. Untuk mempelajarifenomena aeroelastik ini, dek jembatan perludiuji di terowongan angin dengan model fisikagerakan dek seperti ditunjukkan padaGambar 18.

Gambar 17.Fenomena Aeroelastik 3)

Gambar 18.Model Fisika Gerakan Dek di bagian

tengah

Hal-hal yang mungkin terjadi oleh LCOadalah:o Fatigue (kelelahan komponen struktur),

sehingga dalam periode waktu tertentusetiap komponen struktur harus di periksaketahanannya dan jika perlu diganti baru.

o Serviceability atau Comfort Level (TingkatKenyamanan). Batasan Comfort Levelakan berbeda antar berbagai negara,tergantung kepada code yang ditetapkanoleh standar konstruksi negara tersebut. British design rules 7), menetapkan

batas akselerasi maksimum untukcomfort yakni jika kecepatan anginantara 0 m/s – 20 m/s makaakselerasi puncak harus < 0,04 g.

Sedangkan ASCE (American Societyof Civil Engineer) 7) menetapkanbahwa untuk, kecepatan angin < 13,5 m/s

akselerasi puncak harus < 0.05 g kecepatan angin antara 13,5

m/sec – 20 m/sec akselerasipuncak harus < 0,1 g

WIND deck model

LSHR


78 ISSN 1410-3680

FlutterUntuk model seksional, kecepatan kritis

flutter (Uf) dapat ditentukan dengan metodaFlutter Margin dari Zimmermann 13). Metodaini diperoleh melalui perhitungan langsungdari data pengukuran frekuensi osilasi danredaman masing-masing mode dari modelselama mendapat aliran angin. Kecepatankritis flutter diperoleh dari ekstrapolasi kurvaFlutter Margin (Fm) ke sumbu horizontal(sumbu U, Kecepatan Angin).

222

2

21 ph

ph

phFm

2222

22phph

ph

(11)dimana, h - faktor redaman osilasi heaving,h – frekuensi osilasi heaving, p - faktorredaman osilasi pitching dan p - frekuensiosilasi pitching.

Parameter KesetaraanModel seksional harus dibuat

sedemikian rupa sehingga dapat mereplikabentuk geometry secara maksimal sertamensimulasikan gerakan potongan dekjembatan di bentang tengah. Pada bagian inigerakan dek dapat di sederhanakan menjadi2 DOF (Degree of Freedom): Vertical Bending(heaving) dan Torsion, atau dalam kasuskhusus dapat terjadi gerakan lateral sehinggamenjadi 3 DOF: Vertical Bending, LateralBending dan Torsion 18).

Dengan demikian pengujian modelseksional dek jembatan harus menerapkankaidah kesetaran (similarity rule) aeroelastik,yakni kaidah kesetaraan yang didasarkanpada aspek: Aerodinamika dan DinamikaStruktur 8, 21).

Kesetaraan aerodinamika dinyatakandengan replika bentuk yang semirip mungkindengan rancangan dek sebenarnya dandimensi model adalah dimensi perkecilan(scale down) dari ukuran dek sebenarnya.Skala perkecilan yang memadai untuk ujimodel seksional adalah antara 1:20 ataun=20 sampai dengan 1:60 atau n=60.

(12)

dimana,d = dimensi model, D = dimensi prototype

Sebagai konsekwensi kesetaraangeometri dan dimensi, maka kesetaraanberikut juga berlaku:

bB

bb

zz

model

prototype

ta

akt = n (13)

dimana,zakt : ketinggian aktual di lingkungan alamsebenarnya (misalnya ketinggian dekterhadap permukaan air).

Kesetaraan dinamika struktur diwakilidari rasio frekuensi natural gerak verticalbending (heaving) dengan rotasi dek(torsion). Karena dari parameter frekuensiinilah karakteristik dinamika struktur telahdimiliki secara intrinsik 9).

prototypeθ

b

modelθ

b

ff

ff

(14)

Hal lain yang penting untuk koreksiadalah faktor redaman, secara ideal rasioredaman di model harus setara dengan rasioredaman struktur jembatan sebenarnya.Namun pada saat jembatan dirancang, makastruktur sebenarnya belum ada. Sehinggaparameter redaman hanya dapat diperolehdari perhitungan software FEM (FiniteElement Method) yang digunakan. Karenaitulah faktor redaman ini akan bersifatseadanya dan jauh dari nilai sebenarnya.

Salah satu cara untuk mendapatkankesetaraan redaman yang memadai adalahdengan menghilangkan segala kemungkinanfriksi di model, sehingga redaman struktur akan sangat kecil, biasanya antara 0,005 –0,015. Ini adalah nilai redaman jembatanprototype. Hal ini hanya bisa dilakukandengan membuat uji model seperti yangditunjukkan pada Gambar 19. Gambar 20menunjukkan sketsa struktur dan konfigurasimodel seksional.

(15)

Gambar 19.Tipikal Model Seksional di Terowongan

Angin


ISSN 1410-3680 79

Gambar 20.Sketsa Struktur dan Konfigurasi Model

Seksional 9, 10, 19)

Dalam pengujian model yang memilikibentuk geometri non-streamline, umumnyapengaruh bilangan Reynolds (Re) sulit untukdiperhitungkan, karena separasi aliran dapatterjadi secara permanen pada tepi yangtajam, pergeseran titik separasi akibatperubahan Re tidak terjadi. Dengan demikiankaidah similaritas Re akan berbeda denganstruktur benda yang streamline. Antarajembatan aktual (prototype) dengan modelakan terjadi perbedaan Re beberapa orde.Kasus seperti ini berlaku pada sebagianbesar jembatan bentang panjang 3, 12).

Sekalipun demikian beberapa halberikut harus diperhatikan 17):a. Untuk elemen struktur yang sangat kecil

(misalnya railing), Re dapat turun sampai< 100, akibatnya gaya-hambat (drag)menjadi dominan karena efek viskositas 6).Untuk itu, pemodelan elemen strukturdemikian lebih baik menggunakan caralain seperti, jumlahnya dibatasi diameter elemen tersebut diperbesar, digunakan model dengan skala yang

cukup besar, 1 : 100 sampai 1 : 300 menggunakan struktur lain tapi memiliki

rasio kekosongan / porositas yangsama

b. Elemen struktur berbentuk silinder bulat(seperti kabel atau pagar) akan lebihsensitif terhadap perubahan Re,karenanya harus dicermati sejak dini.

c. Untuk benda bertepi tajam, pola re-attachement aliran setelah separasi danresirkulasi di wake, menurut rujukankurang sensitif terhadap perbedaan Re.Aliran resirkulasi dan separasi ini seringdijadikan rujukan untuk mendapatkanakurasi simulasi jika kesetaraan Re takterpenuhi. Selain itu efek Re mungkinberkaitan pula dengan rasio blockage

terowongan angin. Begitupulareattachment aliran akan sensitif terhadaproughness permukaan benda danturbulensi dari angin datang 2, 3, 4).

d. Agar efek turbulensi sama pada Re yangberbeda, maka sangat penting untukmensimulasikan spektrum kecepatanangin secara tepat.

e. Jika Re kecil maka simulasi turbulensiangin alam menjadi tidak akurat, karenarasio ukuran dari eddy akan sangattergantung pada viskositas 2).

νρUbRe (16)

dimana, : viskositas kinematik, (untuksea-level = 1,789 x 10-5 kg/m.det.)

Parameter kesetaraan lainnya yangpenting untuk model seksional adalahBilangan Strouhal (St), Persamaan (9).Bilangan ini sering digunakan untuktransformasi kecepatan di terowongan anginke kecepatan jembatan sesungguhnya(prototype) 10). Dimana hasil uji terowonganangin akan digunakan untuk memperkirakankarakteristik jembatan sesungguhnya setelahmelalui proses ekstrapolasi data eksperimenke data aktual. Untuk uji jembatan ada 2parameter penting yang harusdiekstrapolasikan: displacement dankecepatan angin. Displacement adalah para-meter

geometri yang diekstra-polasi denganperkalian terhadap skala model n 3).

model .nprototype (17)

Kecepatan diekstrapolasi dengankesetaraan bilangan Strouhal St, ataufrekuensi-reduksi (reduced frequency) k10),

modelprototype kk

elmodter.angin

ref

prototypeakt

ref

Ubf

UBf

ter.anginMref,

Pref,akt U

bfBf

U (18)

PEMBAHASAN DAN HASIL

Tipikal jembatan bentang panjang yangdijadikan untuk studi kasus telah ditunjukkandi Gambar 5, 6 dan 7. Kemudian berdasarkandata geometri dan dimensi Tabel 1, makadibuatlah model seksional dek seperti ditunjukkan di Gambar 21.


80 ISSN 1410-3680

Gambar 21.Model Seksional Untuk Studi Kasus

Uji Model StatikUji model statik dilakukan untuk

mendapatkan data gaya dan momenaerodinamika steady, yaitu CL, CD dan CMsesuai dengan Persamaan (3) sampaidengan (8).

Gambar 22.Pengaturan Distribusi Lubang Tekanan Model

Dek serta Desain Lubang Tekanan

Pengukuran tekanan untuk uji modelstatik pada studi kasus ini dilakukan denganmengatur distribusi lubang tekanan sepertiditunjukkan di Gambar 22. Sedangkanhasilnya ditunjukkan di Gambar 23, 24 dan25.

Gambar 23.CL vs. alpha

Gambar 24.CD vs. alpha

Gambar 25.CM vs. alpha

Gambar 25 sampai Gambar 25menunjukkan adanya variasi perubahan CL,CD dan CM pada berbagai kecepatan anginatau bilangan Reynolds di terowongan angin(ReTA). Hubungan Bilangan Reynolds danKecepatan Angin ditunjukkan di Tabel 2.

Tabel 2.Bilangan Reynolds Pengujian Statik

U ReTA

15 m/s 5,41 x 105

20 m/s 7,2 1x 105

25 m/s 9,01 x 105

30 m/s 1,08 x 106

Kemudian dari hasil pengukuran CL, CDdan CM dapat diturunkan pula lajuperubahannya, terutama pada rentang -2o <

< +2o , seperti ditunjukkan di Tabel 3.

Tabel 3.Perubahan Kurva CL, CD, CM

SudutDatang

Angin ( )-2o < < +2o 0,068525 0,000136 0,011299


ISSN 1410-3680 81

Secara ringkas, dari hasil pengujiantersebut dapat diketahui bahwa:- Efek Bilangan Reynolds sangat kecil,

sehinga secara garis besar dapatdikatakan bahwa pada berbagaikecepatan angin nilai CL, CD dan CMhampir sama

- Kurva CL dan CM adalah positif, dengankata lain nilai CL dan CM naik dengankenaikan sudut datang angin ( ).

- Nilai CD adalah minimum pada 2o

- Laju perubahan nilai CL terhadap , CDterhadap dan CM terhadap

dirangkum pada Tabel 3.- Dapat dilihat bahwa pada = 0o dan

kecepatan angin 30 m/s, gaya / momenaerodinamika tidak sama dengan nol,tetapi: Nilai CL = -0,08291 berarti dek telah

memiliki gaya angkat negatif Nilai CD = 0,044568 berarti dek telah

memiliki gaya hambat positif Nilai CM = -0,03037 berarti dek telah

memiliki momen torsi negatif

Uji Model DinamikModel seksional dinamik adalah replika

penggalan struktur dek jembatan bentangtengah (main-span) dan mensimulasikanosilasi yang dominan di bagian tersebut,yakni osilasi 2 DOF (Degree Of Freedom) :- Gerak lentur vertikal (heaving), dengan

variabel displacement ( h)- Gerak torsional (torsion), dengan variabel

displacement ( )Ada dua kaidah kesetaraan yang harus

dipenuhi oleh model seksional dinamik:o Kaidah kesetaraan aerodinamika yang

dinyatakan melalui kesetaraan bentukgeometry, dimana desain geometry inimerupakan geometry jembatan prototype.

o Kesetaraan dinamika struktur, yangsecara praktis dapat dinyatakan olehkesetaraan rasio frekuensi natural (eigenvalue) gerak torsi terhadap gerak heavingdari sistem struktur dek jembatan.

Untuk mereplika gerakan jembatanprototipe secara dinamik, maka modeldisangga oleh delapan sistem pegas yangkonstanta pegasnya sama. Frekuensi osilasiheaving dikendalikan oleh rapat masa modeldan frekuensi osilasi torsi dikendalikan olehrapat momen inersia masa dan jarak antarpegas (2e).

Sistem suspensi pegas dipasangdalam seksi uji khusus yang dibatasi olehdummy wall. Dalam dummy wall ini sistempegas akan terlindung dari aliran angin.Sistem pegas terhubung ke model melalui

mekanisme khusus yang memungkinkandilakukannya penyesuaian / tuning /adjustment dari sistem pegas. Sepertipenggantian pegas dengan stiffnes berbedaatau jarak antar pegas. Dengan mekanismeini maka frekuensi natural dari model dapatdisesuaikan sehingga memenuhi kaidahkesetaraan yang ditentukan.

Sketsa susunan sistem pegas darimodel uji ditunjukkan di Gambar 26. Gambar27 menunjukkan struktur sistem pegassebenarnya untuk menyangga model didummy wall.

angin

Gambar 26.Sketsa Sistem Pegas Pada Model

Seksional Jembatan

Gambar 27.Sistem Pegas Model

Dengan sistem pegas tersebut makarasio frekuensi natural model seksional dekdapat di atur (tune), sehingga memenuhikaidah kesetaraan yang ditentukan.Pengaturan dilakukan dalam suatu prosesyang disebut dengan Model ModalMeasurement, hasilnya ditunjukkan diGambar 28.


82 ISSN 1410-3680

AnginAC 1 (depan) AC 1

(belakang)

Gambar 28.Hasil Modal Measurement dari model (puncak

osilasi heaving di fH danfT)

Tabel 4 menunjukkan rangkuman hasilpengaturan frekuensi natural modeldibandingkan dengan frekuensi naturaljembatan aktual (prototipe).

Tabel 4.Perbandingan Parameter Dinamika Struktur

No. UraianProto-type(Hz)

Model(Hz)

ModelLogDec

)1. FH1 0.220 7,750 -0,00882. FT1 1.299 45,625 -0,01383. FT1/ FH1 5.9 5,9

Setelah frekuensi natural model selesaidi atur maka pengukuran response dinamikdari model ketika mendapat aliran angin,diukur menggunakan 2 buah accelerometer,yang ditempatkan masing-masing secaravertikal di sisi depan (AC1) dan sisi belakang(AC2). Gambar 29 menunjukkan sketsapenempatan accelerometer untuk mengukurrespon model dek.

Gambar 29.Penempatan Accelerometer

Model seksional dinamik diuji dengan 3konfigurasi, masing-masing dengan sudutdatang angin (sudut serang) yang berbeda:

= +3o,0o,-3o. Hal ini dipilih, karena padaumumnya defleksi torsional dek jembatanbentang panjang tidak akan lebih dari ± 3o.Jika keadaan aktual struktur jembatan yangakan dibangun adalah terrain flat maka sudutdatang angin yang dominan adalah = 0deg.

Secara garis besar, objektif uji dinamikadalah untuk prediksi:- Kecepatan kritis terjadinya eksitasi pada

struktur dek oleh Induksi Resonansi(Resonance Induced Excitation): osilasiheaving (UH) dan torsi (UT)

- Kecepatan kritis timbulnya flutter (Uf)- Prediksi displacement (RMS) pada setiap

kecepatan angin

Maka dari Tabel 4 diatas dapat dihitungpersamaan kesetaraan berikut untukmendapatkan hubungan transformasikecepatan angin di terowongan angin dengankecepatan angin aktual (prototype),

(19)

Hasil pengukuran induksi resonansiditunjukkan di Gambar 30. Dapat dilihatbahwa pada dek jembatan tidak terjadiinduksi akibat perbedaan tekanan permukaanatas/bawah dek yang disebut dengan LSHR(Low wind Speed Heaving Resonance), yangterlihat hanyalah induksi resonansi olehvortex, VIV (Vortex Induced Vibration) atauVortex Sheeding Induced. Sehinggaringkasan hasil pengukuran dapat ditulisseperti di Tabel 5 dan 6.

Gambar 30.Hasil Pengukuran untuk Identifikasi RIV = 0o

fH=7.75 Hz fT=45.63Hz

Resonansi Lain


ISSN 1410-3680 83

Tabel 5.Hasil Identifikasi UIR Pada Model

SudutDatang

Angin ()

MODELHeaving

UIR-H (m/dtk)Torsion

UIR-T (m/dtk)

= 0o 4.4 275.2

= +3o 6.0 297.8

= -3o 5.6 29

Tabel 6.Prediksi UIR Pada Prototipe

SudutDatang

Angin ()

PREDIKSI PADA PROTOTIPEHeav.UIR-H

(m/dtk)

Max.aksel.

(g)

TorsionUIR-T

(m/dtk)

Max.aksel.

(g)

= 0o 5,02 0,18 30,8 0,065,90 0,31

= +3o 6,84 0,53 40,6 0,02

8,90 0,35= -3o 6,38 0,004 40,6 0,03

Untuk mendapatkan data kecepatankritis flutter, maka sistem model dialiri angindan diukur parameter Flutter Margin (Fm)sesuai Persamaan (11), dari kecepatan anginterendah sampai gejala flutter terlihat. Namunsecara matematis hubungan kurva antara Fmdengan kecepatan angin adalah parabolic,sehingga untuk tujuan praktis agar kurva Fmlinier maka yang dibuat adalah kurva Fmterhadap q (tekanan dinamik) dengan satuanPascal. Gambar 31 menunjukkan kurva Fmterhadap q [Pa] dari hasil pengukuran pada= +3o. Maka ekstrapolasi kurva tersebut keFm 0 memberikan data tekanan dinamik q[Pa] atau kecepatan angin flutter Uf [m/s].

Gambar 31.Kurva Fm pada alp=+3o (terowongan angin: qc=8054, UfTA = 115 m/s) atau (prototipe: Uf = 131 m/s)

Tabel 7.Hasil Stability Test (Flutter Margin Test)

SudutDatangAngin

TekananDinamikAngin(Pa)

KecepatanKritis

Flutter diTer. AnginUf-TA(m/s)

KecepatanKritis

Flutter diPrototypeUf (m/dtk)

= 0o 4397 85 96,9 = +3o 8054 115 131= -3o 7870 114 130

Hasil pengukuran kecepatan anginterjadinya flutter pada tiga sudut datang angin(alpha) dirangkum di Tabel 7. Karenapengujian telah dilakukan pada tiga sudut

datang angin, maka diperoleh tiga kecepatankritis flutter.

Kecepatan kritis flutter untuk rujukandapat digunakan kaidah worst condition,yakni dengan mengambil kecepatan anginkritis yang terendah, dalam hal ini adalah 85m/s di terowongan angin atau 96,9 m/s dilingkungan aktual (prototype).

Displacement (defleksi / perpindahan)dek dari model dapat di-estimasi daripengukuran akselerasi a model seksionalmelalui hubungan 5),

2

a (20)

dimana,


84 ISSN 1410-3680

adalah frekuensi-putar yang dijadikanrujukan

Karena displacement dek adalah datayang berfluktuasi setiap saat (dalam domainwaktu), maka estimasi displacement ini lebihtepat untuk dinyatakan dalam besaran RMS(Root Mean Square) dari variabel . Gambar32 dan 33 menunjukkan hasil pengukurandisplacement deck untuk masing-masinggerak heaving dan torsi.

Gambar 32.RMS Heaving Deflection

Gambar 33.RMS Torsion Deflection

Tabel 8.Defleksi Dek () Saat Terjadi Induksi

Resonansi di ModelSudut

DatangAngin

()

MODELHeaving Torsion

UIR-H

(m/s)

H

(mm)

UIR-T

(m/s)

T

(deg)

= 0o 4,4 0,967 27 0,9485,2 0,984

= +3o 6,0 0,272 29 0,1707,8 2,525

= -3o 5,8 0,519 29 0,103

Secara numerik, rangkuman hasilnyaditunjukkan di Tabel 8 dan 9. Tampak bahwadisekitar frekuensi heaving terjadi dua puncak

defleksi untuk sudut datang angin = 0o dan3o, sedangkan untuk = -3o hanya terjadisatu puncak defleksi.

Tabel 9.Prediksi Defleksi Dek () Saat Terjadi Induksi

Resonansi di PrototipeSudut

DatangAngin

()

PROTOTIPEHeaving Torsion

UIR-H

(m/s)

H

(mm)

UIR-T

(m/s)

T

(deg)

= 0o 5,0 38,689 30,8 0,9485,9 39,375

= +3o 6,8 10,866 40,6 0,1708,9 100,993

= -3o 6,4 20,775 40,6 0,103

Pada Tabel 8 dan 9 ditemukan pulabeberapa kemungkinan adanya LCO yangtidak memenuhi tingkat kenyamanan menurutBritish Rules maupun ASCE, terutama padasaat terjadi resonansi heaving dan arahdatang angin = 0o.

Namun perlu dicatat bahwa osilasi inisangat dipengaruhi oleh lingkungan anginsekitar jembatan, seperti besar kecepatan(U), arah angin () dan tingkat turbulensiangin datang (). Proses fatigue dapatterjadi apabila struktur jembatan seringmengalami osilasi resonansi, misalnya jikaangin yang melalui secara rata-rata seringberada sekitar kecepatan kritis.

SIMPULAN

Dari uraian diatas serta studi kasuspengujian yang telah diuraikan, maka dapatdiketahui bahwa uji seksional model dekjembatan sudah cukup memadai sebagaiperangkat dasar atau proses awal dalamanalisis aeroelastik jembatan bentangpanjang. Karena dari uji ini telah diperolehbeberapa hal berikut:o Gaya aerodinamika steady yang sangat

erat kaitannya dengan bentuk geometripenampang (cross-section, 2D) dari dekjembatan bagian tengah (main-span).

o Fenomena aeroelastik induksi vortex danflutter. Masing-masing fenomenamenyebabkan dek jembatan ter-deformasi.

o Deformasi akibat induksi vortex tidakbersifat katastropik, hanya menimbulkangangguan pada struktur dalam beberapasaat. Jika hal ini sering terjadi dalamjangka waktu lama, bisa saja timbulkelelahan struktur (fatigue).


ISSN 1410-3680 85

o Deformasi akibat flutter bersifatkatastropik, apabila terjadi maka secarakeseluruhan struktur dek akan hancur.

o Uji terowongan angin sudah dapatmemperkirakan besarnya deformasi dekpada setiap kecepatan angin. Namunperkiraan ini harus dikoreksi jika adaperbedaan koeffisien redaman strukturmodel dan prototype.

o Jika deformasi dek cukup kecil, dalam artiberada dalam tingkat kenyamanan yangdibolehkan, maka rancangan jembatandianggap layak untuk dibangun.

Secara ringkas dapat dikatakan bahwauji model seksional dek hanya mereplikageometri serta gerakan dek pada penggalanbentang tengah dek, sehingga struktur modelmenjadi lebih sederhana, pembuatannyamenjadi jauh lebih murah dan cepat,begitupula replika detail geometri dapatdibuat dengan ukuran lebih besar. Dengandemikian uji model seksional akan lebihakurat dalam mendeteksi timbulnya induksiresonansi, dimana profil geometri akan lebihbesar dan mendekati bentuk aslinya.

Namun untuk menentukan kecepatankritis flutter, metoda uji model seksionalkurang akurat dibanding model penuh. Padauji model seksional kecepatan kritis flutterdiperoleh dari hasil ekstrapolasi, pendekatanmodel matematika atau metoda grafik. Padauji model penuh, pengujian dilakukan sampaiterjadi flutter, sehingga prediksi kecepatankritis flutter akan langsung diperoleh padasaat pengujian.

Kemudian, jika ternyata hasil ujiterowongan angin yang mendeteksi adanyafenomena yang mungkin membahayakanstruktur atau kurang sesuai denganspesifikasi yang dirancang semula, makaperencana jembatan dapat merubahrancangannya dengan menggeser frekuensinatural menjadi lebih tinggi atau rendah,sehingga resonansi tidak terjadi di kecepatanangin rata-rata atau dengan merubah bentukgeometrinya agar kecepatan flutter terjadi dikecepatan angin cukup tinggi, jauh di ataskecepatan angin rata-rata.

UCAPAN TERIMA KASIH

Terima kasih penulis sampaikankepada tim pengujian jembatan. Untukalmarhum Drs. Sariman, MSc yang telahmembantu tersedianya data untuk analisis.Juga pada anggota troika pengujian yangbersama penulis melakukan pengujian, Ir.Wibawa Purabaya MT., Drs. DadangKuswandi dan Matza Gusto Andika, ST., MT.

DAFTAR PUSTAKA

1. Sachs, P., Wind Forces in Engineering,Pergamon Press, Oxford, 1978

2. Anderson, J. D., FundamentalsAerodynamics, Mc Graw-Hill BookCompany, New York, 1985

3. Simiu, E. and Scanlan, R.H., Wind Effectson Structures 3rd Edition, John Wiley andSons Inc, New York, 1996

4. Holmes, J.D., Wind Loading of Structures,Spon Press, London, 2001

5. Rao, S.S., Mechanical Vibrations, 3rd. ed., Addison-Wesley Publishing Company,Singapore, 1995

6. Irwin, P.A., Full aeroelastic model test,Proceedings: Aerodynamics of LargeBridges, Balkema, Coppenhagen, 1992

7. Persoon, A. J., The use of sectional andfull aeroelastic models, PersonalCommunication, 2004

8. Tanaka, H., Similitude and Modelling inBridge Aerodynamics, Proceedings :Aerodynamics of Large Bridges,Balkema, Coppenhagen, 1992

9. Scanlan, RH., Theory of the wind analysisof long span bridges based on dataobtainable from sectional model test,Proceedings of the InternationalConference on Wind Effects on Buildingand Structures, Cambridges UniversityPress, 1977

10. Tubino, F., Relationships amongaerodynamic admittance functions, flutterderivatives and static coefficients for long-span bridges, Journal of WindEngineering and Industrial Aerodynamics93 (2005) 929–950, Elsevier, 2005

11. Fariduzzaman, L. Gunawan, L. R. Zuhaldan A. Nasution, Uji Aeroelastik ModelPenuh pada Jembatan Cable Stayed,Jurnal Teknik Sipil, Vol 11 no. 2 April2004, Departemen Teknik Sipil ITB,Bandung, 2004

12. Bartoli, G., Righi, M., Flutter Mechanismfor rectangular prisms in smooth andturbulent flow, Journal of WindEngineering and Industrial Aerodynamics94 (2006) 275–291, Elsevier, 2006

13. Benneth, R.M, Application of ZimmermanFlutter Margin Criterion to A Wind TunnelModel. NASA TM 84545

14. Boonyapinyo, V., Lauhatanon, Y.,Lukkunaprasit, P., Nonlinear aerostaticstability analysis of suspension bridges,Journal of Engineering Structures 28(2006) 793–803, Elsevier, 2006


86 ISSN 1410-3680

15. Lia, Y., Qiang, S., Liao, H., Y.L. Xu,Y. L.,Dynamics of wind–rail vehicle–bridgesystems, Journal of Wind Engineeringand Industrial Aerodynamics 93 (2005)483–507, Elsevier, 2005

16. Bartoli, G., Righi, M., Flutter mechanismfor rectangular prisms in smooth andturbulent flow, Journal of WindEngineering and Industrial Aerodynamics94 (2006) 275–291, Elsevier, 2006

17. Zhu, L. D., Wang, M., Wang, D. L., Guo,Z. S., Cao, F. C., Flutter and buffetingperformances of Third Nanjing Bridgeover Yangtze River under yaw wind viaaeroelastic model test, Journal of WindEngineering and Industrial Aerodynamics95 (2007) 1579–1606, Elsevier, 2007

18. Ge, Y. J. and Xiang, H. F., Recentdevelopment of bridge aerodynamics inChina, Journal of Wind Engineering and

Industrial Aerodynamics 96 (2008) 736–768, Elsevier, 2008

19. Chen, Z, Han, Y., Luo, L.Z., Hua, X.,Identification of aerodynamic parametersfor eccentric bridge section model,Journal of Wind Engineering andIndustrial Aerodynamics 98 (2010) 202–214, Elsevier, 2010

20. Torrielli, A., Tubino, F. and Solari, G.,Effective wind actions on ideal and realstructures, Journal of Wind Engineeringand Industrial Aerodynamics 98 (2010)417–428, Elsevier, 2010

21. Ubertini, F., Hong, A. L., Betti, R. andMaterazzi, A. L., Estimating aeroelasticeffects from full bridge responses byoperational modal analysis, Journal ofWind Engineering and IndustrialAerodynamics 99 (2011) 786–797,Elsevier, 2011

METODA UJI MODEL SEKSIONAL DEK SEBAGAI DASAR ANALISIS ...

Documents

Transcript of METODA UJI MODEL SEKSIONAL DEK SEBAGAI DASAR ANALISIS ...