Download - 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.
-
5/28/2018 jembatang bentang panjang
2/8
Struktur
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7)
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
-
5/28/2018 jembatang bentang panjang
3/8
Struktur
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7)
Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013 S - 125
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.
-
5/28/2018 jembatang bentang panjang
4/8
Struktur
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7)
S - 126 Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
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
-
5/28/2018 jembatang bentang panjang
5/8
Struktur
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7)
Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013 S - 127
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
-
5/28/2018 jembatang bentang panjang
6/8
Struktur
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7)
S - 128 Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
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
-
5/28/2018 jembatang bentang panjang
7/8
Struktur
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7)
Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013 S - 129
H/B = 0.164 H/B = 0.167 H/B = 0.169
L/B = 0.536 L/B = 0.525 L/B = 0.360
diam U/fB = 3 U/fB = 4 U/fB = 5
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
diam U/fB = 3 U/fB = 4 U/fB = 5
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
diam U/fB = 3 U/fB = 4 U/fB = 5
3
45
6
7
8
1
2
L
H
-
5/28/2018 jembatang bentang panjang
8/8
Struktur
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7)
S - 130 Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
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).