jembatang bentang panjang

5/28/2018 jembatang bentang panjang

1/8

Struktur

Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7)

Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013 S - 123

KAJIAN ALIRAN ANGIN PERMUKAAN TERHADAP STABILITAS AERODINAMIK

LANTAI JEMBATAN BENTANG PANJANG

(111S)

Sukamta1

1Jurusan Teknik Sipil, Universitas Diponegoro, email : [email protected]

ABSTRAK

Stabilitas jembatan panjang terhadap pengaruh angin sangat dipengaruhi oleh bentuk lantai tersebut.

Aliran angin pada permukaan penampang lantai jembatan dibahas pada tulisan ini. Studi kasus

dilakukan pada Jembatan Cable Stayed Suramadu. Pengujian dilakukan terowongan angin untuk

mengetahui pengaruh penambahanfairing kecil yang ditempatkan pada kedua sisi plat lantai. Semua

pengujian dilakukan pada kondisi aliran angin laminer. Beberapa tipe fairing diperiksa untuk

mengetahui peningkatan stabilitas aerodinamik. Tes visualisasi dilakukan untuk mengetahui aliranangin di permukaan model.

Penelitian ini memperlihatkan aliran angin pada permukaan atas jembatan dikontrol oleh fairing

sedangkan aliran dibagian bawah permukaan lantai jembatan dikontrol oleh tepi sudut bawah box

girder. Stabilitas lantai jembatan sangat dipengaruhi bentukfairing.

Kata kunci: stabilitas aerodinamik,fairing, visualisasi aliran, Cable stayed

1. PENDAHULUAN

Kegagalan jembatan Tacoma Narrows Bridge I, akibat pengaruh beban angin pada bulan November 1940, menjadi

menarik perhatian untuk perencanaan jembatan sejenis. Setelah bencana kegagalan jembatan, para peneliti di

bidang rekayasa berupaya untuk memahami fenomena aeroelastik yang terkait dengan jembatan bentang panjangseperti : vortex shedding, galloping, divergence, flutter, and buffeting response. Wind Tunnel Test telah banyak

digunakan untuk tujuan tersebut dan pemahaman yang cukup telah diperoleh dengan menggunakan alat ini.

Getaran yang disebabkan angin menjadi pertimbangan utama untuk keamanan jembatan bentang panjang. Wind

Tunnel Test adalah teknik yang dapat diandalkan untuk menyelidiki kinerja aerodinamik jembatan akibat angin

yang kuat. Secara umum, ada tiga jenis uji model jembatan bentang panjang dalam Wind Tunnel Test untuk

mengetahui karakteristik aerodinamik jembatan yakni : uji model penuh, uji model sectional dan uji strip model. Uji

model sectional umumnya digunakan untuk identifikasi parameter aerodinamik. Scanlan dan Tomko (1971) adalah

salah satu pelopor penelitian model jembatan bentang panjang.

Flutter adalah fenomena ketidakstabilan aeroelastik dinamik, yang disebabkan oleh motion-induced atau self-

induced forces. Desain jembatan bentang panjang,flutteradalah salah satu aspek yang sangat penting peranannya,

karena Flutterdapat menyebabkan amplitudo getaran yang berlebihan atau bahkan kehancuran total lantai jembatan.Hasil interaksi antara gaya aerodinamik, kekakuan dan gaya inersia pada struktur fleksibel akan menyebabkan

terjadinya flutter, satu atau lebih mode dapat berpartisipasi dalam mewujudkan stabilitas ini. Komponen

perpindahan pada jembatan terdiri atas : perpindahan vertikal ,h, torsi ,, dan perpindahan lateral ,p. Secara umum,responflutterjembatan didominasi oleh mode uncoupled torsi. Masalah kritis akan muncul untuk jembatan dengan

bentang yang sangat panjang, yang mana coupled flutterdisebabkan oleh kombinasi antara perpindahan vertikal

dan torsi.

Biasanya, analisisflutterdilakukan dengan mempertimbangkan bentuk penampang lantai jembatan. Solusi numerikatau eksperimental dapat digunakan untuk menyelesaikan permasalahan ketidakstabilan akibat flutter. Wind tunnel

testadalah metode eksperimen standar untuk penyelidikan stabilitas aerodinamik dan sifat aerodinamik, di mana

prototipe struktur dimodelkan dengan skala model dan diuji pada kondisi kesamaan.

Beberapa penelitian yang berkaitan dengan ketidakstabilan padabox girderjembatan bentang panjang (Walshe dan

Wyatt (1983), Miyata et al. (1983), Kobayashi et al. (1988), Narita et al (1988).) telah dilakukan. Dalam studi ini,

beberapa aspek stabilitas aerodinamik lantai jembatan diteliti seperti, vortex induced responses of cable stayedbridge, improvements of flutter stability, aliran angin di sekitar lantai jembatan, distribusi tekanan angin dan

unsteady aerodynamic forces.


2/8

Struktur


S - 124 Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013

Stabilitas aerodinamik sangat dipengaruhi oleh bentuk penampang lantai jembatan. Ada beberapa jenis perangkat

aerodinamik, yang dapat meningkatkan ketidakstabilan aerodinamik penampang lantai jembatan, sepertiflap, pelat

ujung, pelat sisi danfairing. Fairing segitiga biasa digunakan untuk meningkatkan ketidakstabilan aerodinamik dari

lantai jembatan. Nagao et al. (1993) menyelidiki pengaruhfairing segitiga pada stabilitas aerodinamik dari dua jenis

box girder dengan rasio ketebalan, B/H, berbeda. Penelitian ini menyimpulkan, bahwa efektifitas bentukfairing

untuk penampang lantai jembatan ditentukan oleh sifat aliran di sekitar lantai jembatan. Yoshimura dkk. (2001)melaporkan pengaruh fairing segitiga kecil. Studi menyatakan, satu jenisfairing segitiga efektif dalam menekan the

aerodynamic oscillation. Daito dkk. (2004, 2006) menyelidiki sifat-sifat aerodinamik dari box girderdan stabilitas

aerodinamik dapat ditingkatkan dengan merubah kemiringan sayap yang lebih rendah dan letak dari box girdertepi.

Penelitian ini menunjukkan bahwa aliran di sekitar permukaan lebih rendah memainkan peran penting pada

stabilitas aerodinamik dari box girder.

Tulisan ini membahas aliran angin di permukaan lantai jembatan untuk mengetahui pengaruh pemasangan fairingterhadap stabilitas jembatan. Jembatan Suramadu Cable Stayeddipilih sebagai data pengujian.

2. EKSPERIMENTAL KONDISI

The section model test dilakukan pada wind tunnel test tipe Eiffel di University of Tokushima. Wind tunnel

memiliki ruang uji lebar 0,7 m, tinggi 1,5 m dan panjang 4 m. Prototipe penampang jembatan untuk pengujian ini

seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Lantai jembatan diperkaku dengan box girderpada kedua tepi dan ditutup plat

beton bertulang tebal 0,25 digantung dengan kabel pada kedua box girder. Skala model diambil 1/85, memberikan

lebar modelB = 0,35 m. Sifat-sifat dari struktur ditunjukkan pada Tabel 1.

Pengukuran respon aerodinamik untuk sectional model dilakukan untuk mode lentur dan torsi, di mana sudut

kemiringan arah angin sebesar =-3o, 0

odan 3

o. Pusat rotasi diasumsikan di lokasi antara pusat gravitasi dan pusat

geser. Model dengan panjang 0,6 m dan lebar 0,35 m digantung dengan delapan per pegas yang memungkinkan

gerakan vertikal dan torsi. Sistem pengekang dipasang untuk membatasi gerakan lain seperti lateral, defleksi

longitudinal dan rotasi terhadap sumbu vertikal. Aspek rasio panjang terhadap lebar model adalah sekitar 1,7 danaspek rasio antara panjang dan tinggi adalah 15. Pengaruh aspek rasio model boleh diabaikan dengan menggunakan

plat yang cukup besar pada kedua tepi model. Wind tunnel test dilakukan pada kondisi angin laminar untuk

kecepatan hingga 10 m/s. Perangkat lunak LabVIEW digunakan untuk mengukur dan menganalisa respon data

sinyal.

Gambar 1. Penampang lantai jembatan

Beberapa tipe fairing seperti ditunjukkan pada Tabel 2 diuji untuk mengetahui peningkatan ketidakstabilan

aerodinamik lantai jembatan. Sudut elevasi permukaan bawah fairing diubah dari 30o sampai 60o, dimana sudut 44obertepatan dengan sudut elevasi lantai jembatan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Dua digit pertama nama

fairing adalah sudut elevasi permukaan bawah dan dua digit terakhir merupakan sudut elevasi permukaan atas.

The smoke wire method digunakan untuk memvisualisasikan aliran angin di sekitar permukaan model dengan uji

forced vibration. Serangkaian kawat stainless steel dengan diameter 0,1 mm dilapisi dengan parafin cair

ditempatkan di bagian hulu dari model. Kawat stainless steel dipanaskan dengan menggunakan arus listrik sehingga

asap putih akan muncul. Pola aliran di sekitar permukaan model direkam menggunakan kamera kecepatan tinggi

(100 frame / s). Amplitudo osilasi untuk mode torsi (2) adalah 2o dan kecepatan angin tak berdimensi (U/fB)adalah 3, 4 dan 5, dimana kecepatan angin, U, 1 m/s untuk semua kondisi.

2.85 2.30 9.8530/2

2.4

0

0.2

5

0.08

0.6

6

CL

dimension is in meter


3/8

Struktur



F4415 4430F

4445F 4460F

6030F

5353F

5237F

44

30

53

5244

60

44

3015

53

37

10

10

44

10

45

60

30 44

3044F

6044F

60

44

fairing

44

Tabel 1 Propertis dari prototipe dan model

Properties prototype model

required measured

width (m) 30 0.353 0.35

depth (m) 3.64 0.042 0.04

equivalent mass (kg/m) 35,212 4.873 4.958center of rotation from bottom surface (m) (3.07) 0.030

mass of moment inertia (kg m2/m) 2,097,466 0.040 0.039

bending natural frequency f(Hz) 0.39 3.596 2.977

torsional natural frequency f(Hz) 0.54 4.979 4.094

ff 1.385 1.385 1.375

Logarithmic damping

(2 = 1o) 0.008

(2 = 2o) 0.012

Logarithmic damping (2/B = 0.03) 0.009

Table 2 Tipe fairing

Gambar 2. Posisifairing

3. HASIL DAN ANALISIS

3.1.

Respon Aerodinamik

Keseluruhan pengujian sifat aerodinamik untuk mode lentur diperoleh hasil bahwa model cukup stabil. Kestabilan

aerodinamik dari model lantai jembatan yang ditumpu oleh dua box girder pada kedua tepinya, berkurang pada

sudut arah angin positif, hal ini sama seperti hasil yang diperoleh pada penelitian sebelumnya ( Daito et dkk., 2004).Pada kondisi = -3

o, tidak terjadi osilasi dan hasil yang lebih stabil diperoleh pada kondisi = 0o dibandingkan

dengan kondisi = +3o .

Gambar 3, menunjukkan respon aerodinamik untuk pengujian torsi pada amplitudo ganda, 2 terhadap kecepatan

angin tak berdemensi ,U/fB, pada kondisi = +3o., untuk semuafairing. Pada garis berjudul "WOH" merupakan

hasil dari model tanpa hand rail, dari hasil pengujian diperoleh bahwa hand rail menurunkan kecepatan flutter

sekitar 10%. Sebagai penampang dasar, WOF, vortex induced osclilation dan kecepatanfluttertorsi akan diamati.

Pada daerah Vortex induced oscillation, redaman aerodinamik minimum yang diukur pada wind tunnel testadalah

aero = -0,0075, yang mana cukup kecil dibandingkan dengan redaman struktur prototipe jembatan yang

diperkirakan, = 0,02, oleh karena itu, Vortex induced oscillation dari prototipe jembatan dapat diabaikan.Mengacu pada gambar ini, F4415, F4445, F4460, F3044, F6030 dan F5353 menunjukkan sedikit peningkatan pada

kecepatan flutter, di sisi lain, kecepatan flutter untuk F4430, F6044 dan F5237 adalah lebih tinggi 30%

dibandingkan dengan WOF.


4/8

Struktur



3.0

3.2

3.4

3.6

3.8

4.0

4.2

4.4

4.6

4.8

5.0

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2

He/Hf

U/fB

3.0

3.2

3.4

3.6

3.8

4.0

4.2

4.4

4.6

4.8

5.0

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2

L e/Hf

U/fB

Gambar 3 Respon Aerodinamik pada = 3o

Kecepatan kritisflutterpada model denganfairing yang memiliki permukaan sudut bawah sama dan berbeda sudut

tangkap permukaan atas tidak sesuai satu sama lain. Selain itu, kecepatan kritis fluttermodel dengan fairing yang

memiliki sudut yang berbeda elevasi permukaan bawah fairing dan sudut tangkap dari permukaan atas sama juga

berbeda. Parameter yang merepresentasikan bentukfairing adalah posisi ujungfairing dan sudut ujung. Gambar 4(a), (b) dan (c) menunjukkan efek dari tinggi nondimensional ujung fairing, He/Hf, panjang nondimensional, Le/Hf,

sudut ujung,e, fairing berturut-turut terhadap kecepatan flutter. Pada penampang ini, kecepatanfluter memilikipuncak yang tajam di sekitarHe/Hf = 0,62. Sebaliknya, kecepatanfluttertidak ada hubungannya dengan Le/Hf, dan

sudut ujung,e.

Gambar 5(a) Kecepatan flutter v.s. Rasio tinggi

sudut tangkap terhadap tinggifairing

Gambar 5(b) Kecepatan flutter v.s. Rasio panjang

sudut tangkap terhadap tinggifairing

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 1 2 3 4 5 6U/fB

2

(degree)

WOF

F 4430

F 4460

F 6044

WOH

F 4415

F 4445

F 6030

F 3044

F 5237

F 5353

Up

(ms-1)10 40 50 60 70 8020 30

HfHe

Hf

Le


5/8

Struktur



Gambar 4 (c) Kecepatanflutter v.s. sudut tangkapfairing

3.2 Uji Aliran Angin

Gambar 5 dan 6 menunjukkan L/B dan H/B rata-rata untuk satu siklus gerak. L/B semakin besar dengan urutanWOF, F4460, F6044 dan F4430, dan H/B menurun dalam urutan yang sama. Selain itu, rasio L/B menurun dengan

meningkatnya kecepatan angin tak berdimensi, di sisi lain, rasio H/B meningkat dengan meningkatnya kecepatan

angin tak berdimensi. Oleh karena itu, untuk kondisi tidak stabil aerodinamik, L/B danH/B masing-masing menjadi

lebih kecil dan lebih besar. Dengan kata lain, penurunan L/B dan peningkatan H/B menunjukkan peningkatanpenyebaran aliran angin. Hal ini diperhitungkan bahwa perilakuL/B danH/B mencerminkan ketidakstabilan flutter.

Hasil tersebut juga menunjukkan adanya kesesuaian dengan hasil pengujian respon aerodinamik.

Gambar 7 dan 8 memperlihatkan aliran angin di sekitar model pada setiap fase untuk 1 siklus gerak torsional dengan

2=2o, =+3

o, U/fB=3, 4, 5, berturut-turut untuk model WOF, F4430 F4460, dan F6044. Selanjutnya, gambar

dengan judul at rest menunjukkan posisi model dalam kondisi diam dimana aliran angin diatur sesuai dengan aliran

angin pada setiap fase. Panah melingkar pada setiap gambar menunjukkan titik paling luar di mana dua garis asap

yang berdekatan bersatu. Ini dianggap bahwa titik ini berhubungan dengan pembentukan pemecahan aliran. Ladalah jarak dari titik tangkap angin ke panah melingkar.Hadalah tinggi penyebaran aliran pada titik 0.4B dari titik

tangkap angin. Sebenarnya penyebaran aliran bervariasi sepanjang lebar lantai jembatan (B) dan setiap sudut fase.Nilai 0,4B dipilih untuk mewakili titik referensi dalam menghitung tinggi penyebaran aliran angin. Mengacu pada

gambar ini, aliran angin pada permukaan bawah model untuk semua kondisi sangat mirip, karena aliran angin di

bawah permukaan model dikendalikan oleh tepi box girder. Oleh karena itu, fairing hampir tidak mempengaruhi

aliran bawah model. Perubahan arah aliran angin di sekitar permukaan bawah dapat dilakukan dengan merubahletakbox girderatau kemiringan sayap, seperti yang ditunjukkan oleh Daito et AL

8),9). Aliran angin pada permukaan

atas model berbeda satu sama lain.

Gambar 5. RasioH/B terhadap kecepatan Gambar 6. RasioL/B terhadap kecepatan

angin tak berdimensi angin tak berdimensi

3.0

3.2

3.4

3.6

3.8

4.04.2

4.4

4.6

4.8

5.0

50 60 70 80 90 100 110 e (degree)

U/fB

Hf e


6/8

Struktur



B

diam U/fB = 3 U/fB = 4 U/fB = 5

1

2

3

4

5

6

7

8

Gambar 7 Aliran angin pada model tanpafairing (WOF)

3

45

6

7

8

1

2

H/B = 0.181 H/B = 0.185 H/B = 0.188

L/B = 0.357 L/B = 0.288 L/B = 0.226

L

H


7/8

Struktur



H/B = 0.164 H/B = 0.167 H/B = 0.169

L/B = 0.536 L/B = 0.525 L/B = 0.360


B

L

H

2

3

4

H

H/B = 0.174 H/B = 0.177 H/B = 0.181

L/B = 0.396 L/B = 0.355 L/B = 0.285

2

3

4


L

B

H

(a) aliran angin F44 30

(b) Aliran angin F44 60 B

Gambar 8. Aliran angin pada model denganfairing

H/B = 0.173 H/B = 0.177 H/B = 0.180

L/B = 0.503 L/B = 0.476 L/B = 0.353

(c) Aliran Angin F6044

2

3

4


3

45

6

7

8

1

2

L

H


8/8

Struktur



4. KESIMPULAN

Penelitian ini menunjukkan bahwa dengan perubahan sebagian kecil penampang dapat merubah stabilitas

aerodinamik. Aliran angin pada permukaan atas jembatan dikontrol oleh fairing sedangkan aliran dibagian bawah

permukaan lantai jembatan dikontrol oleh tepi sudut bawah box girder. Pemasangan fairing tipe tertentu ternyata

dapat menaikan kecepatanflutter. Stabilitas lantai jembatan sangat dipengaruhi bentukfairing.

DAFTAR PUSTAKA

Scanlan,R.H. and Tomko,J.J.,(1971), Airfoil and bridge deck flutter derivative, J. Eng. Mech. Div., Vol. 97

(EM6), pp.1717-1737.

Walshe,D.E. and Wyatt, T.A., (1983),Measurement and application of the aerodynamic admittance functions for abox girder bridge,J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., Vol. 14, pp. 211-222,.

Miyata,T., Miyazaki,M. and Yamada,H., (1983),Pressure distribution measurements for wind induced vibration of

box girder bridges.,J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., Vol. 14, pp. 223-234,.

Kobayashi,H., Bienkiewicz,B. and Cermak,E. (1988), Mechanism of vortex excited oscillations of a bridge deck.,

J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., Vol. 29, pp. 371-378,.Narita,N., Yokoyama,K., Sato,H. and Nakagami,K.(1988), Aerodynamic characteristics of continuous box girder

bridges relevant to their vibrations in wind., J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., Vol. 29, pp. 399-408.

Nagao,F., Utsunomiya,H., Oryu,T. and Manabe,S., (1993),Aerodynamic efficiency of triangular fairing on box

girder bridge.,J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., Vol. 49, pp. 565-574,.

Yoshimura,T., Mizuta,Y., Yamada,F., Umezaki,H., Shinohara,T., Machida,N., Tanaka,T. and Harada,T.,(2001),

Prediction of vortex induced oscillation of a bridge girder with span wise varying geometry.,J. Wind Eng.Ind. Aerodyn., Vol. 89, pp. 1717-1728,.

Daito,Y., Matsumoto,M. and Takeuchi,T. (2004),Aerodynamic stabilization for geometrical girder shape of two

edge girders of long span cable stayed bridges., Proc. 18th

National Symposium on Wind Eng., pp. 431-436,

(in Japanese).

Daito,Y., Matsumoto,M., Shirato,H., Yagi,T. and Takeuchi,T. (2006), Aerodynamic characteristics for stabilized

section with two edge girders of long span cable stayed bridges., Proc. 19th

National Symposium on Wind

Eng. pp. 423-428, (in Japanese).

jembatang bentang panjang

Documents