1

PEMODELAN PELAT JEMBATAN DEK BAJA DENGAN PERKUATAN OVERLAY

BETON BERTULANG

Oleh:

Made Sukrawa1)

dan I Putu Harie Mahendra2)

1) DPD HPJI Bali, Dosen pada Jurusan Teknik Sipil Fak. Teknik Univ. Udayana

2) Mahasiswa pada Jurusan Teknik Sipil Fak. Teknik Univ. Udayana

E-mail: msukrawa@yahoo.com

ABSTRAK

Model Elemen Hingga (MEH) dari pelat jembatan dek baja dengan perkuatan overlay beton

bertulang telah dibuat, guna memprediksi perilaku lentur pelat yang telah diuji sebelumnya. Pelat

dasar sebagai control dalam skala 1:2 berukuran 500 x 1400 mm, dengan kuat tekan beton 25

MPa dengan dek baja bergelombang tinggi 50 mm dan tebal 1 mm. Beton overlay yang

digunakan adalah 35 MPa dengan ketebalan 35 mm dengan tulangan. Untuk itu telah dibuat 6

buah model yang meliputi: Model pelat kontrol (MPK); Model perkuatan dengan tebal overlay

35, 25, dan 15 mm (MPT35, MPT25, MPT15); Model perkuatan dengan mutu beton overlay 30

dan 25 MPa (MPFC30 dan MPFC25). Dek baja dimodel menggunakan elemen shell dan beton

dimodel dengan elemen solid, sedangkan baja tulangan dimodel dengan elemen frame.

Hasil analisis menunjukkan bahwa MEH mampu menirukan perilaku lentur pelat dengan baik,

terutama pada pembebanan rendah dan sedang, sedangkan pada tingkat pembebanan yang lebih

tinggi MEH menunjukkan kekuatan dan kekakuan yang lebih besar dari hasil uji laboratorium.

Pengaruh ketebalan dan kuat tekan beton overlay juga dapat diprediksi dengan baik pada MEH.

Kata kunci : Pemodelan Elemen Hingga, Perkuatan, Overlay beton, Pelat jembatan, Dek baja

MODELLING OF BRIDGE STEEL DECK STRENGTHENED WITH REINFORCED

CONCRETE OVERLAY

ABSTRACT

Finite Element Model (FEM) of corrugated steel deck slab for bridges strengthened with

reinforced concrete overlay has been made to predict flexural behavior of previously tested slab.

The size of base slab in 1:2 scale is 500 by 1400 mm with concrete strength of 25 MPa and steel

deck of 50 mm high and 1 mm thick. The overlay concrete used in laboratory testing was 35 MPa

of 35 mm thick with steel reinforcement. For that purpose, 6 models was created consist of: Base

slab model (MPK); Strengthened model with overlay thickness of 35, 25, and 15 mm (MPT35,

MPT25, MPT15); Strengthened model with concrete overlay of 30 and 25 MPa (MPFC30 and

MPFC25). The steel deck is modeled using shell element while solid element is used for concrete

and frame element is used for steel reinforcement.

Results showed that FEM can mimic flexural behavior of deck slab, particularly at lower and

medium load level, while at higher load, stronger and stiffer response was observed. The effect of

overlay concrete thickness and strength are also well predicted in FEM.

Keywords: Finite Element Model, Retrofitting/Strengthening, Concrete overlay, Bridge deck, Steel

deck.

1. PENDAHULUAN

2

Pelat jembatan yang menerima beban langsung akibat lalu lintas sering mengalami kerusakan

akibat beban yang melampaui kapasitasnya ataupun akibat pengaruh lingkungan dan umurnya

yang sudah tua. Seringkali terjadi bahwa, komponen struktur utama jembatan yang mendukung

pelat masih dalam keadaan baik. Untuk itu diperlukan penanganan berupa penggantian ataupun

perkuatan pelat jembatan guna memperpanjang umur layan jembatan tersebut. Untuk kerusakan

ringan sampai sedang, penanganan berupa perkuatan akan lebih menguntungkan dari segi

efisiensi anggaran yang terbatas.

Salah satu metode perkuatan pelat yang banyak dilakukan adalah dengan menambah ketebalan

pelat dengan lapisan overlay berupa beton modifikasi latex ataupun beton biasa dengan dan

tanpa tulangan. FHWA (1998) melaporkan tentang pemakaian beton dengan kecepatan pengeringan

sangat tinggi (very early strength, VES) untuk overlay jembatan di Virginia-USA. Untuk kerusakan

ringan, keseluruhan proses overlay memerlukan waktu hanya 8 jam, suatu rekor kecepatan yang

menakjubkan dan cocok diterapkan pada ruas jalan yang padat lalu-lintas.

Penelitian berupa pengujian fisik di laboratorium tentang pelat jembatan dengan perkuatan

overlay beton bertulang menunjukkan peningkatan kekuatan dan kekakuan yang sangat berarti

(Suasira et al., 2010 dan Sukrawa et al., 2010). Namun disadari bahwa, karena keterbatasan

fasilitas dan sumber daya yang ada, beberapa variabel penting tidak dapat diamati dalam

pengujian laboratorium ini. Disamping itu, pengujian fisik memerlukan waktu dan biaya yang

cukup banyak. Untuk itu perlu dilakukan penelitian analitis berupa pemodelan elemen hingga

agar lebih banyak variabel yang bisa diteliti dengan waktu dan biaya yang terbatas.

Dalam paper ini dibahas tentang pemodelan pelat jembatan dek baja yang diperkuat dengan

overlay beton bertulang. Variabel yang diamati berupa ketebalan dan kuat tekan beton overlay.

Variasi kuat tekan ini merupakan representasi dari kekuatan beton yang meningkat seiring

pertambahan umurnya. Sebagai acuan dalam pemodelan elemen hingga digunakan data

penelitian laboratorium berupa dimensi pelat uji, mutu bahan, dan detail pembebanannya seperti

yang dilaporkan dalam Sukrawa et al. (2010).

2. TINJAUAN PUSTAKA

Kerusakan Pelat Jembatan Dek Baja

Di Indonesia terdapat lebih dari 3000 jembatan rangka batang baja dengan pelat lantai kendaraan

berupa dek metal yang disamping berfungsi sebagai tulangan positif juga berfungsi sebagai

3

perancah permanen. Hidayat (2003) menyatakan bahwa 50% dari jembatan rangka baja tersebut

mengalami kegagalan pelat lantai kendaraan. CSD yang banyak digunakan pada jembatan rangka

di Indonesia memiliki dimensi tinggi 100 mm, tebal 2 mm dengan tebal pelat komposit sekitar

170 – 190 mm dengan ketebalan beton minimum 70 mm (Anonim, 1986). Pelat yang tipis

seperti ini sangat potensial mengalami kegagalan geser dua arah akibat beban roda truk. Sebagai

gambaran, pengecekan geser dua arah akibat beban roda menurut BMS memerlukan tebal pelat

minimum 120 mm (Sukrawa, 2003). Untuk itu diperlukan pelat yang lebih tebal untuk menahan

beban terpusat akibat lalu-lintas.

Metode Perkuatan Pelat dengan Overlay Beton

Metode perkuatan pelat dengan overlay beton sudah biasa dilaksanakan di USA dan Negara lain,

untuk melapisi pelat jembatan yang mengalami kerusakan ringan seperti retak-retak, mengalami

pengelupasan (spalling) bagian atas, maupun pada pelat yang mengalami kerusakan sedang

(FHWA, 1998). Beton khusus dengan kecepatan pengeringan sangat tinggi banyak digunakan

pada jembatan dengan volume lalu-lintas padat. Keberhasilan metode perkuatan ini telah

dilaporkan dalam berbagai publikasi sebagaimana dirangkum dalam Sukrawa, et al. (2010).

Jembatan di Indonesia lebih banyak dioverlay dengan aspal beton yang berfungsi sebagai lapisan

aus, bukan sebagai perkuatan pelat karena tidak adanya aksi komposit antara beton dengan aspal.

Penelitian tentang perkuatan pelat dengan dek baja yang banyak mengalami kegagalan memang

belum banyak dilaporkan sehingga menarik untuk dikaji.

Data Pengujian Laboratorium

Pengujian laboratorium tentang pelat dek baja dengan perkuatan overlay beton bertulang telah

dilakukan pada Laboratorium Struktur, Fakultas Teknik Universitas Udayana (Sukrawa et al.,

2010). Data pengujian ini digunakan sebagai acuan dalam pemodelan elemen hingga. Berikut

adalah ringkasan data pelat yang diuji di laboratorium tersebut.

Mutu beton pelat dasar adalah f’c 25 MPa, sedangkan mutu beton untuk perkuatan overlay

dibuat lebih tinggi yakni f’c 35 MPa. Tulangan longitudinal pelat menggunakan baja polos

dengan diameter masing-masing mm dan mm. Untuk dek baja digunakan Smartdek BMT 1

mm dengan fy 550 MPa dan tulangan wiremesh M5 dengan fy 550 MPa.

Pada penelitian laboratorium digunakan 4 (empat) jenis benda uji, PK, PP3H, PP7H dan PP28H,

masing-masing terdiri dari 3 (tiga) buah pelat satu arah menerus di atas tiga perletakan, dalam

skala 1:2. Angka 3, 7 dan 28 menunjukkan umur beton overlay saat pengujian. PK berupa pelat

4

kontrol tanpa overlay, sedangkan PP adalah pelat dengan perkuatan overlay beton. Overlay

direncanakan setebal 35 mm (70 mm dalam skala penuh) sesuai dengan ketebalan rencana

lapisan aus. Untuk memperoleh lekatan yang kuat antara pelat lama dengan overlay maka

digunakan penghubung geser berupa baut. Disamping itu, permukaan pelat lama juga dikasarkan

dengan gerinda dan dilapisi dengan bonding agent sebelum beton overlay dicor. Dengan

demikian diharapkan terjadi aksi komposit penuh antara pelat lama dengan beton overlay.

Benda uji dengan skala panjang ½ memiliki ukuran panjang 1400 mm, lebar 500 mm dan tebal

95 mm. Tulangan pelat dasar adalah 5 6 mm pada sisi atas dan 5 4,8 mm pada sisi bawah.

Garis tengah perletakan pinggir direncanakan 25 mm dari tepi pelat. Gambar 1 menunjukkan

potongan melintang pelat dengan detail penulangan pada pelat dasar dan pada lapisan overlay.

Gambar 1. Detail penulangan benda uji dengan perkuatan overlay

Instrumentasi dan Uji Pembebanan

Dalam pengujian di Laboratorium beban yang digunakan adalah dua beban garis sebagai

simulasi dari beban lalu-lintas. Lendutan pelat diukur dengan dial gauge dan dicatat untuk setiap

level pembebanan sebesar 1 kN. Skema pengujian lentur pelat dapat dilihat pada Gambar 2.

5

Gambar 2. Skema pengujian Laboratorium, posisi beban dan instrumentasi

Hasil Pengujian

Hasil pengujian dalam bentuk grafik hubungan beban-lendutan seperti disajikan pada Gambar 3.

Dilaporkan bahwa pada pembebanan yang relatif masih rendah terjadi delaminasi antara dek baja

dengan beton pada tepi pelat sehingga terjadi kehilangan sebagian aksi komposit. Hal ini terjadi

karena labar pelat yang diuji rleatif kecil (500 mm) dibandingkan dengan lebar pelat yang

sesungguhnya.

Gambar 3. Grafik beban-lendutan pelat dasar (PK) dan pelat dengan perkuatan (PP)

6

Disamping lebar pelat yang kecil, keterbatasan kapasitas alat uji yang digunakan menghasilkan

grafik beban lendutan pelat dengan perkuatan yang lebih pendek, dimana pengujian dihentikan

sebelum pelat mengalami keruntuhan. Namun demikian nampak jelas bahwa, pelat yang

diperkuat dengan overlay beton memiliki kekakuan dan kekuatan yang jauh lebih besar dari pelat

kontrol.

3. PEMODELAN ELEMEN HINGGA

Metode Elemen Hingga merupakan salah satu metode pemodelan struktur yang digunakan secara

luas karena dalam kasus-kasus tertentu, metode ini sangat handal untuk memprediksi perilaku

struktur dalam kondisi elastis maupun pasca elastis. Struktur pelat dapat dimodel dengan elemen

shell yang merupakan elemen dua dimensi dengan ketebalan tertentu (tidak dimodel). Dalam

paper ini pelat dimodel dengan elemen solid 3-D agar interaksi komposit antara pelat beton

dengan beton overlay dapat dimodel dengan baik. Dalam penelitian ini digunakan Program SAP

2000 ver.14.

Pada Program SAP2000, element solid merupakan element dengan delapan nodal yang

digunakan untuk memodel struktur padat (solid). Element ini mempunyai enam permukaan,

dimana tiap-tiap permukaan dihubungkan dengan titik nodal seperti yang ditampilkan pada

Gambar 4. Setiap element solid mempunyai sistem koordinat lokal tersendiri untuk

mendefinisikan sifat bahan dan beban, dan juga untuk menafsirkan hasil analisis yang

dikeluarkan. Tegangan-tegangan yang terjadi di sistem koordinat lokal element dievaluasi pada

titik yang terintegrasi dan diekstrapolasi ke setiap joint pada element.

7

Gambar 4. Element Solid

Karakteristik lain yang perlu diperhatikan dalam pemodelan struktur beton adalah modulus

elastisitas beton. Menurut SNI 03-2847-2002 modulus elastisitas untuk beton dianggap linier

sebesar:

Ec = (4700)

Dimana, Ec adalah modulus elastisitas beton (Mpa), f’c adalah kuat tekan beton (Mpa). Dalam

pemodelan ini digunakan nilai E yang non-linier, yang dihitung dari grafik hubungan tegangan

regangan beton untuk berbagai kuat tekan beton (Mehta dan Monteiro, 1993). Nilai E dibagi

menjadi 4 bagian yaitu E1, E2, E3 dan E4. Untuk pelat dasar dengan f’c 25 MPa nilai E yang

digunakan bervariasi dari 25.000 MPa pada tahap awal sampai dengan 11.200 MPa pada tahap

akhir. Untuk beton overlay 35 MPa, nilai E bervariasi dari 25.000 MPa sampai 16.250 MPa.

Langkah-langkah Pemodelan

1. Menetapkan Properti Material

Pada tahap ini dilakukan penentuan karakteristik material dengan memasukan data-data

material seperti mutu beton (f’c), mutu baja tulangan dan dek baja (fy).

2. Menentukan geometri model sesuai dengan dimensi pelat yang diuji di laboratorium

Dek baja dimodel menggunakan elemen shell dengan fy 550 MPa tebal 1 mm. Baja tulangan

dimodel menggunakan elemen frame dengan fy 320 MPa. Pelat beton dimodel dengan solid

elemen dengan ukuran yang disesuaikan dengan posisi tulangan dan beban. Model pelat

dalam bentuk 3-D diperoleh dengan mengekstrude elemen area sesuai dengan panjang pelat

8

dan dibagi menjadi beberapa element solid. Setelah area diekstrud menjadi element solid,

maka area tersebut dihilangkan. Dalam penodelan ini, tulangan pada bagian bawah pelat

tidak dimodel karena tegangan tarik yang terjadi dipikul oleh dek baja.

3. Meshing Area

Sebelum melakukan proses Meshing Area, terlebih dahulu dilakukan penambahan element

shell ke bagian bawah pelat dimana posisi metal dek yang sebenarnya. Pelat 3D tersebut

ditempel dengan dek baja yang dimodel menggunakan elemen shell. Selanjutnya dilakukan

proses mesh area pada element shell agar antara elemen solid dan shell saling terhubung.

Setelah model lengkap maka dilanjutkan dengan penentuan perletakan berupa tiga

perletakan sendi.

4. Menentukan Pembebanan

Analisis struktur pelat menggunakan dua macam beban (load case) yaitu beban mati dan

beban hidup. Beban mati terdiri dari berat sendiri pelat yang langsung dihitung oleh

software. Sedangkan beban hidup pada pemodelan ini berupa beban terpusat sebagai asumsi

dari roda belakang truk. Beban dikerjakan pada titik-tiki tertentu pada pelat sesuai data uji

laboratorium.

Variasi Model

Sebagai langkah awal dalam pemodelan ini dibuat model pelat kontrol tanpa perkuatan (MPK)

untuk dibandingkan dengan hasil uji di laboratorium. Kemudian dibuat model pelat dengan

perkuatan (MPP) dengan tebal lapisan overlay 35 mm. Langkah selanjutnya dibuat model

dengan variasi ketebalan beton overlay yakni 25 mm dan 15 mm, yakni MPT25 dan MPT15,

dengan mutu beton tetap (25 MPa untuk pelat dasar dan 35 MPa untuk beton overlay). Model

berikutnya menggunakan mutu beton overlay yang berbeda-beda yakni 30 MPa dan 25 MPa,

(MPFC30 dan MPFC25), dengan tebal overlay tetap 35 mm. Dengan membandingkan hasil dari

berbagai model di atas diharapkan diperoleh suatu kesimpulan dan saran yang bermanfaat bagi

praktek perkuatan pelat dengan overlay beton. Gambar 5 menunjukkan contoh model tiga

dimensi pelat dasar, sedangkan Gambar 6 menunjukkan model yang sudah berdeformasi.

9

Gambar 5. Model pelat 3-D dengan pembebanan

Gambar 6. Model pelat yang mengalami deformasi akibat pembebanan

Grafik hubungan antara beban dan lendutan pelat dasar (MPK) dan pelat perkuatan (MPP)

disajikan dalam Gambar 7 bersama-sama dengan data hasil uji laboratorium. Dari Gambar 7

terlihat bahwa MEH mampu memodel perilaku lentur pelat dengan baik dimana MEH sedikit

lebih kuat dan kaku setelah pelat uji mengalami delaminasi yang terjadi pada beban sekitar 65

kN pada PK dan 110 kN pada PP. Dalam kondisi normal (tidak terjadi delaminasi) maka prediksi

MEH tampak sangat rasional.

10

Gambar 7. Grafik beban-lendutan MPK dan MPP vs PK-Lab dan PP-Lab

Pada Gambar 8 disajikan grafik hubungan antara beban dan lendutan pelat perkuatan dengan

variasi ketebalan overlay bersama-sama dengan data hasil uji laboratorium pelat perkuatan (tebal

overlay 35 mm). Tampak bahwa MEH mampu memodel perilaku lentur pelat dengan baik

dimana kekuatan dan kekakuan pelat meningkat seiring dengan pertambahan tebal beton overlay.

MEH sedikit lebih kuat dan kaku setelah pelat uji mengalami delaminasi pada beban sekitar 110

kN.

Variasi kuat tekan beton overlay ditunjukkan dalam Gambar 9. Tampak bahwa pengaruh kuat

tekan beton overlay setara dengan pengaruh tebalnya. Hal ini terlihat dari kemiripan grafik pada

Gambar 8 dan Gambar 9. Ini menunjukkan bahwa selain tebal overlay, mutu beton overlay juga

penting dalam metode perkuatan ini. Dalam aplikasinya di lapangan, mutu beton overlay yang

berbeda-beda merupakan indikasi dari kuat tekan beton selama proses pengeringan. Agar proses

pelaksanaan overlay lebih singkat maka harus digunakan beton dengan kuat tekan awal yang

tinggi.

11

Gambar 8. Grafik beban-lendutan MP dengan variasi tebal overlay

Gambar 9. Grafik beban-lendutan MP dengan variasi mutu beton overlay

12

4. SIMPULAN DAN SARAN

Simpulan

Dari hasil dan pemodelan yang telah dilakukan, dapat ditarik kesimpulan yaitu:

1. Model Elemen Hingga dengan SAP2000 v14 mampu menirukan perilaku lentur pelat

dengan baik dengan kecendrungan bahwa MEH menghasilkan kekuatan dan kekakuan

pelat yang lebih besar dari hasil pengujian di laboratorium.

2. Variasi tebal dan kuat tekan beton overlay menunjukkan pengaruh yang setara sehingga

kedua faktor tersebut penting untuk diperhatikan dalam metode perkuatan dengan overlay

beton.

3. MEH memberikan respon struktur yang sangat rasional sehingga dapat digunakan dalam

perencanaan perkuatan pelat menggunkan overlay beton.

Saran

Perlu penelitian lebih lanjut menggunakan hasil uji yang lebih lengkap sebagai acuan dan

menggunakan software lain yang mampu memodel lekatan antara dek baja dengan beton serta

lekatan antara beton lama dengan overlay.

DAFTAR PUSTAKA

1. Anonim. 1986. Manual for Assembly and Erection of Steel Spans. IBRD Highway Betterment

Project I. Departemen Pekerjaan Umum.

2. Hidayat, L. 2003. Mengapa Lantai Jembatan Rangka Baja Cepat Rusak. Seminar Sehari

Kerusakan Lantai Jembatan dan Metode Perbaikan. Balitbang DPU.

3. Mehta, P.K. and Monteiro, P.J.M. 1993. Concrete Structure, Properties, and Materials. Second

Edition. Prentice Hall.

4. Sukrawa, M., Sudarsana, IK., Dana, IW. 2010. Perkuatan Pelat Jembatan Dek Baja Dengan

Overlay Beton Bertulang. Laporan Penelitian Strategis Nasional, Universitas Udayana.

5. Sukrawa, M. 2010. Kajian Tentang Perkuatan Pelat Lantai Jembatan Dengan Overlay Beton.

KRTJ-11 Wilayah Timur 27 Juni – 1 Juli 2010 Nusa Dua Bali

6. Sukrawa, M. 2003. Laporan Perencanaan Perkuatan Jembatan Tukad Bindu di Denpasar dan

Jembatan Tukad Yeh Empas di Tabanan - Bali. Kerjasama Fakultas Teknik dengan Pemprov Bali

(Dinas Pekerjaan Umum).

7. Suasira, W., Sukrawa, M. dan Sudarsana, K. (2010). “Pengujian Laboratorium Pelat Beton

Bertulang yang Diperkuat dengan Overlay Beton” Konteks 4 di Sanur-Bali, 2-3 Juni 2010.

8. FHWA, 1998. Federal Highway Administration's FOCUS newsletter. September 1998 Edition.

MadeSukrawa_3by Made Sukrawa

Submission date: 14-Dec-2018 08:53AM (UTC+0700)Submission ID: 1056764096File name: 83f 6f 0b4a111daf 48f 83a5a978be70be.pdf (411.67K)Word count: 2689Character count: 15774

19%SIMILARITY INDEX

19%INTERNET SOURCES

1%PUBLICATIONS

1%STUDENT PAPERS

1 15%

2 1%

3 1%

4 1%

5 <1%

6 <1%

7 <1%

8 <1%

MadeSukrawa_3ORIGINALITY REPORT

PRIMARY SOURCES

www.dosen.narotama.ac.idInternet Source

docplayer.infoInternet Source

pt.scribd.comInternet Source

www.mcaq.com.auInternet Source

Submitted to Udayana UniversityStudent Paper

journals.itb.ac.idInternet Source

eprints.undip.ac.idInternet Source

edoc.siteInternet Source

Exclude quotes Of f

Exclude bibliography On

Exclude matches Of f