Jembatan Balok Beton
Latar Belakang
Hampir 590.000 jembatan jalan membentang di jalur air, cekungan lahan kering, jalan lain, dan rel kereta api di seluruh Amerika Serikat. Jembatan yang paling dramatis menggunakan sistem kompleks seperti lengkungan, kabel, atau rangka segitiga untuk membawa jalan raya di antara kolom atau menara yang megah. Namun, sistem jembatan jalan raya yang menjadi andalan adalah jembatan balok beton yang relatif sederhana dan murah.
Juga dikenal sebagai jembatan gelagar, jembatan balok terdiri dari pelat horizontal yang didukung di setiap ujungnya. Karena semua berat pelat (dan benda apa pun di pelat) dipindahkan secara vertikal ke kolom pendukung, kolom bisa lebih kecil daripada penyangga untuk jembatan lengkung atau jembatan gantung, yang mentransfer sebagian berat secara horizontal.
Sebuah jembatan balok sederhana umumnya digunakan untuk menjangkau jarak 250 kaki (76,2 m) atau kurang. Jarak yang lebih jauh dapat direntang dengan menghubungkan serangkaian jembatan balok sederhana ke dalam apa yang dikenal sebagai bentang kontinu. Faktanya, jembatan terpanjang di dunia, Danau Pontchartrain Causeway di Louisiana, adalah sepasang jembatan paralel dua jalur yang membentang sepanjang hampir 24 mil (38,4 km). Yang pertama dari dua jembatan selesai pada tahun 1956 dan terdiri dari lebih dari 2.000 bentang individu. Jembatan saudara (sekarang membawa lalu lintas menuju utara) selesai 13 tahun kemudian; meskipun 228 kaki lebih panjang dari jembatan pertama, hanya berisi 1.500 bentang.
Sebuah jembatan memiliki tiga elemen utama. Pertama, substruktur (pondasi) memindahkan beban beban jembatan ke tanah; itu terdiri dari komponen seperti kolom (juga disebut pier) dan abutment. Abutment adalah sambungan antara ujung jembatan dan tanah; itu memberikan dukungan untuk bagian akhir jembatan. Kedua, suprastruktur jembatan adalah platform horizontal yang membentang ruang antara kolom. Akhirnya, dek jembatan adalah permukaan lalu lintas yang ditambahkan ke suprastruktur.
Sejarah
Manusia prasejarah mulai membangun jembatan dengan meniru alam. Merasa berguna untuk berjalan di atas pohon yang tumbang melintasi sungai, ia mulai menempatkan batang pohon atau lempengan batu di mana ia ingin menyeberangi sungai. Ketika dia ingin menjembatani sungai yang lebih luas, dia menemukan cara untuk menumpuk batu di dalam air dan meletakkan balok kayu atau batu di antara kolom ini dan tepi sungai.
Jembatan pertama yang didokumentasikan dijelaskan oleh Herodotus pada 484 SM. Itu terdiri dari kayu yang ditopang oleh tiang-tiang batu, dan dibangun di seberang Sungai Efrat sekitar 300 tahun sebelumnya.
Paling terkenal dengan jembatan lengkung dari batu dan beton, orang Romawi juga membangun jembatan balok. Faktanya, jembatan Romawi paling awal yang diketahui, dibangun di seberang Sungai Tiber pada 620 SM. , disebut Pons Sublicius karena terbuat dari balok kayu (sublicae). Teknik pembangunan jembatan Romawi termasuk penggunaan cofferdams saat membangun kolom. Mereka melakukan ini dengan mengarahkan susunan tiang kayu melingkar ke tanah di sekitar lokasi kolom yang dituju. Setelah melapisi cincin kayu dengan tanah liat agar kedap air, mereka memompa air keluar dari kandang. Ini memungkinkan mereka menuangkan beton untuk dasar kolom.
Pembangunan jembatan memulai transisi dari seni ke sains pada tahun 1717 ketika insinyur Prancis Hubert Gautier menulis risalah tentang pembangunan jembatan. Pada tahun 1847, seorang Amerika bernama Squire Whipple menulis A Work on Bridge Building, yang berisi metode analitik pertama untuk menghitung tegangan dan regangan di jembatan. "Konsultasi teknik jembatan" didirikan sebagai spesialisasi dalam teknik sipil pada tahun 1880-an.
Kemajuan lebih lanjut dalam konstruksi jembatan balok akan datang terutama dari perbaikan bahan bangunan.
Bahan Konstruksi
dan Perkembangannya
Sebagian besar jembatan balok jalan raya dibangun dari beton dan baja. Bangsa Romawi menggunakan beton yang terbuat dari kapur dan pozzalana (bubuk vulkanik merah) di jembatan mereka. Bahan ini cepat meresap, bahkan di bawah air, dan kuat serta tahan air. Selama Abad Pertengahan di Eropa, mortar kapur digunakan sebagai gantinya, tetapi itu larut dalam air. Semen Portland yang populer saat ini, campuran tertentu dari batu kapur dan tanah liat, ditemukan pada tahun 1824 oleh seorang tukang batu Inggris bernama Joseph Aspdin, tetapi tidak banyak digunakan sebagai bahan pondasi sampai awal 1900-an.
Beton memiliki kekuatan yang baik untuk menahan tekan (gaya tekan), tetapi tidak sekuat di bawah gaya tarik (gaya tarik). Ada beberapa upaya di Eropa dan Amerika Serikat selama abad kesembilan belas untuk memperkuat beton dengan menanamkan besi penahan tegangan di dalamnya. Versi superior dikembangkan di Prancis selama tahun 1880-an oleh Francois Hennebique, yang menggunakan batang tulangan yang terbuat dari baja. Penggunaan signifikan pertama dari beton bertulang di sebuah jembatan di Amerika Serikat adalah di Jembatan Danau Alvord di Taman Golden Gate San Francisco; selesai pada tahun 1889 dan masih digunakan sampai sekarang, dibangun dengan batang tulangan dari baja bengkok yang dirancang oleh desainer Ernest L. Ransome.
Kemajuan signifikan berikutnya dalam konstruksi beton adalah pengembangan prategang. Balok beton diberi prategang dengan menarik batang-batang baja yang melewati balok dan kemudian menambatkan ujung-ujung batang tersebut ke ujung-ujung balok. Ini memberikan gaya tekan pada beton, mengimbangi gaya tarik yang diberikan pada balok ketika beban ditempatkan di atasnya. (Sebuah beban yang menekan balok horizontal cenderung menekuk balok ke bawah di tengah, menciptakan gaya tekan di sepanjang bagian atas balok dan gaya tarik di sepanjang bagian bawah balok.)
Prategang dapat diterapkan pada balok beton yang pracetak di pabrik, dibawa ke lokasi konstruksi, dan diangkat ke tempatnya dengan derek; atau dapat diterapkan pada beton cor di tempat yang dituangkan di lokasi akhir balok. Ketegangan dapat diterapkan pada kawat atau batang baja sebelum beton dituang (pretensioning), atau beton dapat dituangkan di sekitar tabung yang berisi baja tanpa tarik yang diberikan tegangan setelah beton mengeras (posttensioning).
Desain
Setiap jembatan harus dirancang secara individual sebelum dibangun. Perancang harus mempertimbangkan sejumlah faktor, termasuk topografi lokal, arus air, kemungkinan pembentukan es sungai, pola angin, potensi gempa, kondisi tanah, proyeksi volume lalu lintas, estetika, dan batasan biaya.
Selain itu, jembatan harus dirancang untuk menjadi sehat secara struktural. Ini melibatkan analisis Pemandangan potongan jembatan balok beton biasa. gaya-gaya yang akan bekerja pada setiap komponen jembatan yang telah selesai. Tiga jenis beban berkontribusi pada gaya-gaya ini. Beban mati mengacu pada berat jembatan itu sendiri. Beban hidup mengacu pada berat lalu lintas yang akan dipikul oleh jembatan. Beban lingkungan mengacu pada kekuatan eksternal lainnya seperti angin, kemungkinan aksi gempa, dan potensi tabrakan lalu lintas dengan penyangga jembatan. Analisis dilakukan untuk gaya statik (stasioner) dari beban mati dan gaya dinamik (bergerak) dari beban hidup dan lingkungan.
Sejak akhir 1960-an, nilai redundansi dalam desain telah diterima secara luas. Ini berarti bahwa jembatan dirancang sedemikian rupa sehingga kegagalan salah satu anggota tidak akan menyebabkan keruntuhan langsung dari seluruh struktur. Ini dilakukan dengan membuat anggota lain cukup kuat untuk mengganti anggota yang rusak.
Manufaktur
Proses
Karena setiap jembatan dirancang secara unik untuk lokasi dan fungsi tertentu, proses konstruksi juga bervariasi dari satu jembatan ke jembatan lainnya. Proses yang dijelaskan di bawah ini mewakili langkah-langkah utama dalam membangun jembatan beton bertulang yang cukup khas yang membentang di sungai yang dangkal, dengan penyangga kolom beton menengah terletak di sungai.
Contoh ukuran untuk banyak komponen jembatan disertakan dalam uraian berikut sebagai bantuan untuk visualisasi. Beberapa diambil dari brosur pemasok atau spesifikasi standar industri. Lainnya adalah rincian jembatan jalan bebas hambatan yang dibangun di seberang Rio Grande di Albuquerque, New Mexico, pada tahun 1993. Panjang 1.245 kaki, jembatan lebar 10 jalur ini didukung oleh 88 kolom. Ini berisi 11.456 meter kubik beton dalam struktur dan tambahan 8.000 meter kubik di trotoar. Ini juga mengandung 6,2 juta pon baja tulangan.
Substruktur
- 1 Sebuah cofferdam dibangun di sekitar setiap lokasi kolom di dasar sungai, dan air dipompa dari dalam selungkup. Salah satu metode pemasangan pondasi adalah dengan mengebor poros melalui dasar sungai, sampai ke batuan dasar. Saat auger mengangkat tanah dari poros, bubur tanah liat dipompa ke dalam lubang untuk menggantikan tanah dan menjaga poros agar tidak runtuh. Ketika kedalaman yang tepat tercapai (misalnya, sekitar 80 kaki atau 24,4 m), sangkar silinder dari baja tulangan (rebar) diturunkan ke dalam poros yang berisi bubur (misalnya, berdiameter 72 inci atau 2 m). Beton dipompa ke bagian bawah poros. Saat poros diisi dengan beton, bubur dipaksa keluar dari bagian atas poros, di mana ia dikumpulkan dan dibersihkan sehingga dapat digunakan kembali. Bagian di atas permukaan tanah dari setiap kolom dapat dibentuk dan dicor di tempatnya, atau pracetak dan diangkat ke tempatnya dan dipasang pada pondasi.
- 2 Abutment jembatan disiapkan di tepi sungai di mana ujung jembatan akan beristirahat. Dinding belakang beton dibentuk dan dituangkan di antara bagian atas tepian dan dasar sungai; ini adalah dinding penahan tanah di luar ujung jembatan. Sebuah langkan (kursi) untuk ujung jembatan untuk beristirahat terbentuk di bagian atas dinding belakang. Dinding sayap mungkin juga diperlukan, memanjang keluar dari dinding belakang di sepanjang tepi sungai untuk menahan tanah urukan untuk pendekatan jembatan.
- 3 Dalam contoh ini, jembatan akan bertumpu pada sepasang kolom di setiap titik penyangga. Substruktur dilengkapi dengan menempatkan cap (balok beton bertulang) tegak lurus terhadap arah jembatan, mencapai dari atas satu kolom ke atas pasangannya. Dalam desain lain, jembatan mungkin bertumpu pada konfigurasi pendukung yang berbeda seperti dermaga persegi panjang lebar jembatan atau kolom tunggal berbentuk T.
Superstruktur
- 4 Derek digunakan untuk memasang balok baja atau balok beton prategang di antara rangkaian kolom yang berurutan di sepanjang jembatan. Gelagar dibaut ke tutup kolom. Untuk jembatan jalan bebas hambatan Albuquerque, setiap balok memiliki tinggi 6 kaki (1,8 m) dan panjang hingga 130 kaki (40 m), dengan berat sebanyak 54 ton.
- 5 Panel baja atau pelat beton pracetak diletakkan melintang di gelagar untuk membentuk platform yang kokoh, melengkapi superstruktur jembatan. Salah satu pabrikan menawarkan panel bergelombang sedalam 4,5 inci (11,43 cm) dari baja berat (7 atau 9-gauge), misalnya. Alternatif lain adalah bentuk baja tetap di tempat untuk dek beton yang akan dituang nanti.
Dek
- 6 Sebuah penghalang kelembaban ditempatkan di atas platform suprastruktur. Aspal modifikasi polimer yang diaplikasikan panas dapat digunakan, misalnya.
- 7 Sebuah kisi-kisi dari batang baja tulangan dibangun di atas penghalang kelembaban; grid ini selanjutnya akan terbungkus dalam pelat beton. Kisi-kisi itu tiga dimensi, dengan lapisan tulangan di dekat bagian bawah pelat dan satu lagi di dekat bagian atas.
- 8 Perkerasan beton dicor. Ketebalan 8-12 in (20,32-30,5 cm) perkerasan beton sesuai untuk jalan raya. Jika bentuk tetap di tempat digunakan sebagai platform suprastruktur, beton dituangkan ke dalamnya. Jika cetakan tidak digunakan, beton dapat diaplikasikan dengan mesin paving slipform yang menyebar, mengkonsolidasikan, dan menghaluskan beton dalam satu operasi terus menerus. Dalam kedua kasus tersebut, tekstur anti selip ditempatkan pada pelat beton segar dengan mencetak permukaan secara manual atau mekanis dengan kuas atau bahan kasar seperti goni. Sambungan lateral disediakan kira-kira setiap 15 kaki (5 m) untuk mencegah retak pada perkerasan; ini baik ditambahkan ke cetakan sebelum menuangkan beton atau dipotong setelah pelat slipformed mengeras. Sealant fleksibel digunakan untuk menutup sambungan.
Kontrol Kualitas
Desain dan konstruksi jembatan harus memenuhi standar yang dikembangkan oleh beberapa lembaga termasuk American Association of State Highway and Transportation Officials, American Society for Testing and Materials, dan American Concrete Institute. Berbagai bahan (misalnya, batch beton) dan komponen struktural (misalnya, balok dan sambungan) diuji saat konstruksi berlangsung. Sebagai contoh lebih lanjut, pada proyek jembatan Albuquerque, uji kekuatan statis dan dinamis dilakukan pada fondasi kolom sampel yang dibangun di lokasi, dan pada dua poros produksi.
Masa Depan
Banyak lembaga pemerintah dan asosiasi industri mensponsori dan melakukan penelitian untuk meningkatkan bahan dan teknik konstruksi. Tujuan utamanya adalah pengembangan bahan yang lebih ringan, lebih kuat, dan lebih tahan lama seperti beton yang diformulasikan ulang dan berkinerja tinggi; bahan komposit polimer yang diperkuat serat untuk menggantikan beton untuk beberapa komponen; pelapis epoksi dan sistem perlindungan elektro-kimia untuk mencegah korosi tulangan baja; serat penguat sintetis alternatif; dan teknik pengujian yang lebih cepat dan akurat.