Journal homepage: http://iptek.its.ac.id/index.php/jats
Analisa Tidak Linier Mekanisme Keruntuhan Jembatan Busur Rangka Baja (A- Half Through Arch )
Abdul Rochim 1,* , Bambang Piscesa 1 , Data Iranata 1 , Navir Afif Refani 2 1 Departemen Teknik Sipil, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya
2 Departemen Teknik Infrastruktur Sipil, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya Koresponden*, Email: abdul.rochim.civeng@gmail.com
Info Artikel Abstract
Diajukan    31 Januari 2019
Diperbaiki  4 Februari 2019 Disetujui    6 Februari 2019 Keywords: collapses, pushover, a-half through arch, performance
The collapses of steel truss bridges can be caused by some factors such as vehicle overloads, material deterioration (corrosion, fatigue), and unexpected tsunami and/or earthquake loads. However, in this paper, the study is limited only to the failure of a-half through arch bridge due to earthquake loads. The bridge has a 100 m long span and is designed using the response spectrum of Surabaya city, East Java, Indonesia. Static nonlinear push-over analysis is used to investigate the performance and the collapse mechanism of the bridge. The bridge was designed based on SNI 1725-2016 and SNI 2833-2016. From the analysis, the failure of the structural elements occurred in the arch members located somewhere near the end portal. The performance level of the bridge determined using the Capacity Spectrum Method is at the Immediate Occupancy (IO) level.
Kata kunci: keruntuhan, pushover, a-half through arch , kinerja Abstrak
Keruntuhan  jembatan  bisa  disebabkan  beberapa  faktor  seperti  beban  berlebih,  fatik, korosi, gempa bumi dan/atau tsunami. Namun, dalam artikel ini, penelitian dibatasi hanya pada kegagalan jembatan busur dengan tipe a-half through arch bridge yang diakibatkan oleh beban gempa. Jembatan yang ditinjau memiliki bentang 100 m dan didesain sesuai dengan  zona  gempa  kota  Surabaya,  Jawa  Timur–Indonesia.  Jembatan  didesain  dengan menggunakan  SNI  1725-2016  dan  SNI  2833-2016.  Analisa  beban  dorong  tidak  linear digunakan  untuk  mengetahui  kinerja  dan  mekanisme  keruntuhan  struktur  jembatan. Berdasarkan hasil studi menunjukkan bahwa kegagalan elemen struktur jembatan terjadi pada elemen busur dekat portal akhir. Level kinerja struktur jembatan ditentukan dengan Metode Kapasitas Spektrum dan termasuk dalam level Immediate Occupancy (IO).

## 1. Pendahuluan
Indonesia adalah negara berkembang yang sedang mela- kukan pembangunan infrastruktur di seluruh wilayahnya. Sa- lah satu pembangunan infrastruktur yang telah banyak dila- kukan adalah konstruksi jembatan rangka baja. Dari beberapa jembatan yang telah dibangun tersebut ada yang telah mele- bihi batas umurnya dan perlu dilakukan investigasi untuk me- ngetahui kondisi jembatan. Kerusakan jembatan rangka baja disebabkan  oleh  kendaraan  dengan  beban  berlebih  dan  ku- rangnya pemeliharaan jembatan [1]. Dalam tahun 2018, ter- dapat  dua  kasus  jembatan  rangka  baja  mengalami  kerun- tuhan. Salah satunya adalah jembatan Ponulele yang runtuh saat terjadi gempa dan tsunami di Palu dan Donggala, Sula- wesi Tengah pada 28 September 2018 [2]. Magnitude gempa yang  terjadi  diperkirakan  sebesar  7.4  Richter  dan  menye- babkan terjadinya gelombang tsunami yang menerjang jem- batan  Ponulele  tersebut.  Sebelumnya,  kegagalan  struktur rangka baja lainnya juga terjadi di perbatasan Tuban–Lamo- ngan,  Jawa  Timur  pada  17  April  2018  dimana  perkiraan
penyebab dari runtuhnya jembatan adalah akibat beban over- loading [3].
Kegagalan getas elemen struktur yang sering disebabkan oleh  pelebaran  retak akibat fracture pada umumnya sangat sulit untuk diprediksi. Elemen-elemen tersebut mungkin su- dah  mengalami  fatik  terlebih  dahulu  akibat  adanya  pengu- langan  beban  siklik  yang  lama  diaplikasikan  pada  struktur tersebut (jembatan lama). Lebar retak yang kecil pada elemen baja  dapat  menyebabkan  elemen  tersebut  bereaksi  dengan oksigen  dan  menyebabkan  korosi.  Korosi  ini  akan  mengu- rangi area efektif baja dan dapat meningkatkan intensitas te- gangan pada takik retaknya. Korosi pada plat buhul seiring dengan  bertambahnya  muatan  kendaraan  yang  melintasi jembatan dapat menyebabkan jembatan runtuh [4], [5]. Di si- si lain, kegagalan daktail yang diikuti oleh deformasi plastis yang berlebihan dapat diprediksi dengan baik menggunakan analisis elemen hingga nonlinier. Jika pemeliharaan elemen jembatan tidak dilakukan dengan benar dapat menyebabkan kerusakan yang lebih cepat dan menyebabkan kegagalan se- luruh jembatan [6].
Abdul Rochim dkk, Jurnal Aplikasi Teknik Sipil, Volume 17, Nomor 1, Februari 2019 (19-26) 20
Studi ini menyajikan analisa statis nonlinier untuk mem- pelajari perilaku struktur jembatan busur rangka baja jenis a- half through arch .  Tujuannya  adalah  untuk  mengevaluasi elemen rangka jembatan yang diharapkan terjadi tegangan le- leh di kedua ujung elemen akibat respons gaya aksial (gaya tekan atau tarik) atau diharapkan terjadi tegangan leleh di te- ngah elemen akibat gaya aksial tekan yang melebihi beban tekuk. Tahapan pemberian beban dorong adalah pemberian beban nonlinier gravitasi (berat sendiri, beban tambahan dan beban hidup kendaraan UDL) yang diaplikasikan terlebih da- hulu  kemudian  diberikan  beban  dorong  seismik  arah  hori- sontal pada deck jembatan. Setelah beban dorong diberikan pada struktur maka perlu dilakukan pengujian terhadap res- pons struktur jembatan. Dalam analisa, kekuatan sambungan chord (plat gusset dan baut) didesain lebih kuat daripada ele- men rangka. Sehingga, kegagalan dikontrol oleh deformasi plastik yang berlebihan dan/atau tekuk elemen rangka.

## 2. Pemodelan Jembatan
Jembatan busur rangka baja dengan jenis a-half through arch bridge yang dimodelkan adalah  jembatan bentang se- derhana dengan panjang bentang total sekitar 100 m dan ting- gi 21,42 m. Jembatan dibagi menjadi 20 divisi dengan pan- jang masing-masing divisi adalah 5 m dan ketinggian elemen rangka vertikal adalah 3,42 m. Gambar 1 menunjukkan de- tail dari pemodelan jembatan busur rangka baja jenis a-half through arch. Gambar 1 (a) dan Gambar 1 (b) menunjukkan tampak atas dan bawah jembatan busur. Ikatan angin busur atas  dan  bawah  mengikuti  bentuk  huruf  K. Gambar  1 (c) menunjukkan tampak samping jembatan busur rangka baja. Pada Gambar 1 (c) diberikan penomoran (As) pada titik ba- gian  atas  busur  yang  akan  digunakan  untuk  diskusi  selan- jutnya. Jembatan ini dirancang agar sesuai dengan dua jalur kendaraan dengan lebar bentang jalur 3,5 m. Lebar total jem- batan yang diukur dari pusat ke pusat lengkungan rangka luar adalah 9 m. Ketinggian maksimum jembatan diukur dari ba- gian atas dek jembatan ke busur rangka baja terendah di ren- tang tengah adalah 14,58 m. Dek jembatan dirancang meng- gunakan pelat beton bertulang dengan ketebalan desain 200 mm.
Material untuk elemen busur rangka baja memiliki fy 290 MPa dan fu 500 MPa (BJ 50). Untuk elemen baja sekunder seperti  gelagar  melintang  dan  gelagar  memanjang,  fy  250
MPa  dan  fu  410  MPa  (BJ  41).  Untuk  batang  penggantung ( hanger ), material yang digunakan memiliki tegangan leleh minimum 510 MPa dan tegangan putus minimum 690 MPa. Batang  penggantung  dirancang  memiliki  diameter  72  mm (Thread M76). Dengan menggunakan diameter batang peng- gantung  tersebut  memiliki  beban  leleh  dan  beban  putus minimum berturut-turut 1,986 kN dan 2,635 kN.
Dalam desain struktur jembatan, pemodelan pembebanan menggunakan  peraturan  pembebanan  jembatan  [7].  Beban gempa  yang  direncanakan  menggunakan  respon  spectrum untuk  wilayah  kota  Surabaya  sesuai  dengan  peraturan jembatan  terhadap  beban  gempa  [8].  Spesifikasi site class tanah  adalah  E.  Nilai  untuk  S S ,  S 1 ,  PGA  dan  A S masing- masing adalah 0,490 g, 0,229 g, 0,248 g dan 0,362 g. Nilai untuk S DS dan S D1 masing-masing adalah 0,849 g dan 0,707 g. Saat mendesain bagian rangka baja, ada tiga kondisi batas yang dipertimbangkan yaitu kondisi batas kekuatan ultimate, kondisi batas kejadian ekstrim, dan kondisi batas layan.
Sebelum  dilakukan  analisa  pushover,  struktur  jembatan harus  direncanakan  terlebih  dahulu.  Hasil  analisa  struktur jembatan  busur  rangka  baja  yang  direncanakan  adalah  se- bagai berikut (WF = Flange Lebar, B = Profil Kotak Berong- ga):
● Balok silang – WF 900x300x16x28
● Stringer – WF 390x300x10x16
● Gelagar utama lantai – B 500x500x25x25
● Busur vertikal – B 180x180x6.3x6.3
● Busur diagonal – B 220x220x8x8
● Elemen longitudinal busur atas – B 350x350x19x19, B 400x400x25x25, B500x500x25x25, B 600x600x25x25, B 800x600x45x45
● Elemen longitudinal busur bawah – B 350x350x19x19, B 400x400x25x25, B 500x500x25x25
● Ikatan angin – B 180x180x6.3x6.3
● Lateral brace – B 220x220x8x8
● Portal akhir – B 800x600x45x45
Gambar  2  menunjukkan  model  gambar  rangka  3D  dari jembatan busur rangka baja sederhana (bentang tunggal) de- ngan jenis jembatan a-half through arch .
(a) Tampak Atas Rangka Busur
(b) Tampak Bawah Rangka Busur
(c) Tampak Longitudinal
(d) Potongan Melintang Tengah Bentang               (e) Potongan Melintang As 6                   (f) Potongan Melintang As 9
Gambar 1. Tampak Umum Jembatan Busur Rangka Baja
20x@5m =100 m 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 20x@5m =100 m 21.42 3.42 14.58 3.42 9.00 14.58 3.42 1.75 1.75 1.75 1.00 1.75 1.00 9.00 10.08 3.42 1.75 1.75 1.75 1.00 1.75 1.00 9.00 3.06 3.42 1.75 1.75 1.75 1.00
1.75 1.00
Abdul Rochim dkk, Jurnal Aplikasi Teknik Sipil, Volume 17, Nomor 1, Februari 2019 (19-26) 22
Gambar 2. Pemodelan Rangka 3D  Jembatan a-Half Through Arch

## 3. Metode
Analisa pushover dilakukan dengan menggunakan paket software SAP 2000. Analisis statis nonlinier ini sering digu- nakan untuk mengevaluasi perilaku nonlinier struktur bangu- nan  bertingkat  tinggi.  Ketika  mengevaluasi  bangunan  ber- tingkat tinggi, gaya lateral yang bervariasi di seluruh keting- gian struktur meningkat secara monotonik hingga target per- pindahan  yang  telah  ditentukan  tercapai  atau  strukturnya runtuh.  Gaya  lateral  versus  perpindahan  atap  dapat  diplot berdasarkan  hasil  analisis  dan  disebut  sebagai  kurva  kapa- sitas [9]. Setelah kurva kapasitas diperoleh, kinerja struktur dapat dievaluasi melalui format Acceleration Displacement Response Spectrum (ADRS), yang diperoleh dari mengubah kurva kapasitas dan kurva respons spektrum ( demand ) men- jadi  bentuk  percepatan  spectral-perpindahan  spektral  (S A - S D ) [10] .
Dalam  melakukan  analisa  statis  nonlinier  pada  struktur jembatan, metode yang tepat untuk menetapkan beban seis- mik lateral pada dek jembatan harus dipertimbangkan dengan hati-hati. Dalam studi ini, dek jembatan diasumsikan cukup kuat sehingga dek jembatan direncanakan sebagai diafragma ( rigid ). Beban seismik lateral dihitung dengan menggunakan faktor  reduksi  beban  seismik  (R)  yang  diaplikasikan  pada pusat diafragma jembatan dengan eksentrisitas nol di kedua arah  x  dan  y  (tengah  bentang).  Material  propertis  elemen rangka  ditetapkan  untuk  menerima  beban  aksial  tekan  dan tarik dengan harapan terjadi leleh di kedua ujungnya. Pene- tapan sendi ini dapat menggunakan "Auto P" di SAP 2000. Kemudian di tengah elemen rangka ditetapkan tambahan sen- di akibat beban aksial tekan pada setiap elemen rangka. Jenis sendi ini ditentukan melalui “ user defined ” pada SAP 2000
dengan  harapan  sendi  plastis  terjadi  pada  tengah  elemen. Kapasitas buckle (tekuk) dari elemen rangka dihitung meng- gunakan  rumus Euler tekuk  elastik  mode  pertama.  Untuk beban  tarik  dalam  perilaku  sendi  tekuk,  diharapkan  terjadi perilaku regangan elastis yang besar sehingga kegagalan e- lemen rangka terjadi di kedua ujung elemen akibat beban ta- rik tersebut.

## 4. Hasil Analisa dan Pembahasan
Gambar 3 menunjukkan reaksi geser dasar ( base shear ) sebagai fungsi dari perpindahan lateral dek jembatan. Reaksi geser dasar maksimum adalah 2480.8 ton. Setelah geser dasar maksimum  tercapai,  kapasitas  geser  dasar  jembatan  turun secara signifikan. Penurunan signifikan pada geser dasar ini disebabkan oleh kegagalan tiba-tiba pada elemen utama rang- ka busur yang diakibatkan oleh tegangan tekan pada elemen yang kritis ( Gambar 5 ). Identifikasi kinerja struktur terhadap jumlah kegagalan rangka ditunjukkan pada Tabel 1 . Terlihat dari Tabel  1 bahwa  ada  empat  sendi  plastis  elemen  yang mengalami collapse secara tiba-tiba pada step 3.
Untuk menghubungkan antara level kinerja dengan res- pons spektrum pada kota Surabaya, kurva ADRS dievaluasi dan ditunjukkan pada Gambar 4 . Dalam analisa pushover , salah  satu  tujuan  penting  adalah  mengevaluasi  titik  kinerja ( performance point ) struktur. Titik kinerja ini dievaluasi pada titik  di  mana  kurva demand dan  kurva  kapasitas  saling berpotongan.  Dari Gambar  4 ,  gaya  geser  dasar  diperoleh ketika perpindahan mencapai 37 mm adalah 1001.4 ton. Nilai percepatan  spektral  dan  perpindahan  spektral  pada  titik kinerja masing-masing adalah 0,905 g dan 28 mm.
Gambar 3. Geser dasar versus kurva perpindahan
Tabel 1. Evaluasi Kinerja Elemen Struktur
Step Disp. Base force A to B  B to IO  IO to LS LS to CP CP to C C to D D to E Beyond E Total (m) (Tonf) 0 0.012 0 1773 0 0 0 0 0 0 0 1773 1 0.042 1198.8 1772 1 0 0 0 0 0 0 1773 2 0.091 2390.5 1745 8 20 0 0 0 0 0 1773 3 0.101 2480.8 1735 10 24 0 0 4 0 0 1773 4 0.101 0.0 1727 10 8 0 0 0 4 24 1773
Gambar 4. ADR (ATC 40 Kapasitas Spectrum)
 Formasi Sendi Plastis
Dengan  menggunakan Gambar  4 bahwa  titik  kinerja tercapai pada T eff = 0,355 detik dan menggunakan Tabel 2
menunjukkan  bahwa  tingkat  kinerja  dengan  T eff tersebut tercapai pada langkah 1 dan dari Tabel 1 , dapat ditentukan bahwa tingkat kinerja adalah Immediate Occupancy (IO).
Tabel 2. Kurva Demand dan Kapasitas - ATC40 Step Teff Beff Sd Capacity Sa Capacity Sd Demand Sa Demand Alpha PFPhi Second M M 0 0.3553 0.05 0 0 0.0284 0.905 1 1 1 0.3553 0.05 0.0340 1.0834 0.0284 0.905 0.9397 0.8680 2 0.4027 0.0991 0.0841 2.0881 0.0284 0.7045 0.9722 0.9341 3 0.4196 0.1244 0.0948 2.1671 0.0279 0.6385 0.9721 0.9338 4 0.0000 0.05 0.1039 0 0.0279 0.6385 0.9232 0.8516
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 0,025 0,05 0,075 0,1 0,125 Ba se R ea ct io n (T on ) Displacement  (m) Capacity Curve 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 S pec tr al A cc el er at io n (g ) Spectral  Displacement  (m) Performance Point (V= 1001.405  D= 0.037) Performance Point (Sa = 0.905  Sd = 0.028) Performance Point (Teff = 0.355,  Beff = 0.050) Capacity Curve Demand Curve R = 1 1 2 3 4
Abdul Rochim dkk, Jurnal Aplikasi Teknik Sipil, Volume 17, Nomor 1, Februari 2019 (19-26) 24
pada Gambar 5 (a) menunjukkan bahwa sendi plastis per- tama diperoleh pada elemen vertikal rangka busur pada As 9 dekat Portal akhir. Pada Gambar 5 (b) menunjukkan bahwa elemen longitudinal busur atas yang terletak antara As 7 dan
As 8 mencapai kapasitas puncak yang menyebabkan struktur hampir  terjadi collapse pada  step  3. Gambar  5 (c)  menun- jukkan  bahwa  terjadi  keruntuhan  secara  tiba-tiba  hingga kapasitas struktur turun secara signifikan.
(a) (b)
(c)
Gambar 5. Formasi Sendi Plastis; (a) Pembentukan sendi plastis pertama pada step 1;
(b) Struktur mencapai kapasitas puncak pada step 3; (c) Struktur collapse pada step 4
 Evaluasi Daktilitas
Berdasarkan  Gambar  5  (a),  Gambar  3 dan Tabel  1 , dapat ditentukan nilai perpindahan pada leleh pertama (δy) yaitu pada step 1 sebesar 0,042 m. Dari Gambar 3 dan Tabel 1 menunjukkan  bahwa  nilai  perpindahan  maksimum  (δu) terjadi pada step 3 adalah 0,101 m. Berikut nilai daktilitas (μ) berdasarkan analisa pushover sebagai berikut. μ = δu: δy (1) = 0.101 m: 0.042 m = 2.4

## 5. Kesimpulan
Studi ini menyajikan analisa pushover nonlinier statis dari jembatan  busur  dengan  bentuk a-half through arch bridge
dengan bentang 100 m. Struktur jembatan tersebut didesain terhadap zona gempa kota Surabaya sesuai dengan SNI 2833- 2016.  Dalam  studi  ini  kurva  kapasitas  dan  kurva demand berpotongan pada zona immediate occupancy (IO) dan level kinerja yang tercapai pada tahapan beban pertama (step-1). Untuk beban kearah longitudinal, transformasi sendi plastis pertama dimulai pada elemen busur vertikal As 9 yang ter- letak dekat dengan portal akhir. Pada tahapan pembebanan ketiga (step 3), elemen longitudinal busur pada bagian rangka atas yang terletak antara As 7 dan As 8 mencapai kapasitas puncaknya  dan  menyebabkan  sistem  struktur  hampir mengalami kegagalan ( collapses ). Pada tahapan pembebanan terakhir (step 4) ada beberapa elemen struktur rangka yang mengalami  kerusakan  diantaranya  adalah  elemen  struktur rangka diagonal antara As 7 dan As 8 serta elemen rangka vertikal yang terletak pada As 6 sampai dengan As 10. Dari studi ini, dapat diketahui elemen-elemen struktur mana saja yang  akan  dan  dapat  mengalami  kerusakan  sehingga  dapat diambil beberapa penanganan khusus pada saat perancangan.

## Daftar Pustaka
[1] PU,  “Investigasi  Jembatan  Rangka  Baja,”  Jakarta, 2009.
[2] The Jakarta Post, “Central Sulawesi Quake: What We Know so Far,” Jakarta, 28-Sep-2018.
[3] Tempo,  “Tangani  Jembatan  Widang  Ambruk, Menteri PU Kirim Kerangka Baja,” Tuban, 17-Apr- 2018.
[4] Abolhassan  Astaneh-Asl,  “Progressive  Collapse  of Steel Truss Bridges, The Case of I-35W Collapse,” in Seventh International Conference on Steel Bridge , 2008.
[5] Kazuhiro  Miyachi,  S.  Nakamura,  and  A.  Manda, “Progressive Collapse Analysis of Steel Truss Bridges and Evaluation of Ductility,” J. Constr. Steel Res. , pp. 192–200, 2012.
[6] E. Yamaguchi, R. Okamoto, and K. Yamada, “Post- Member-Failure  Analysis  Method  of  Steel  Truss Bridge,” Procedia Eng. , pp. 656–661, 2011.
[7] SNI:1725, Pembebanan untuk Jembatan .  Jakarta: Standar Nasional Indonesia, 2016.
[8] SNI:2833, Perencanaan Jembatan terhadap Beban Gempa . Jakarta: Standar Nasional Indonesia, 2016.
[9] PEER-Center, Guidelines for Nonlinear Analysis of Bridge Strcutures in California .  University  of California  Berkeley:  9.  Pacific  Earthquake Engineering Research Center, 2008.
[10]  ATC-40, Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Building . Redwood City, California, U.S.A.: Applied
Technology Council, 1996.
Abdul Rochim dkk, Jurnal Aplikasi Teknik Sipil, Volume 17, Nomor 1, Februari 2019 (19-26) 26