Jembatan Balok Beton: Desain, Konstruksi, dan Tren Masa Depan

Latar Belakang

Di seluruh Amerika Serikat, hampir 590.000 jembatan raya melintasi sungai, depresi darat, dan bahkan jalan serta kereta api lainnya. Meskipun jembatan lengkung, kabel, dan truss yang ikonik menarik perhatian, tulang punggung sistem jalan raya adalah jembatan balok beton praktis dan ekonomis, juga disebut jembatan girder.

Jembatan balok adalah papan horizontal sederhana yang beristirahat pada dukungan di setiap ujung. Karena beban seluruh papan mentransfer vertikal ke kolom, dukungan ini dapat lebih kecil daripada yang diperlukan untuk lengkung atau jembatan gantung, yang mendistribusikan sebagian beban secara horizontal.

Jembatan balok biasanya digunakan untuk lenturan 250 kaki (76,2 m) atau kurang. Jarak yang lebih lama dicapai dengan menghubungkan beberapa balok sederhana menjadi lenturan berkelanjutan. Jembatan terpanjang di dunia, Louisiana’s Lake Pontchartrain Causeway, terdiri dari dua lenturan berkelanjutan dua saluran paralel hampir 24 mil (38,4 km) panjang. Jembatan pertama, diselesaikan pada tahun 1956, berisi lebih dari 2.000 lenturan individu; saudara perempuannya, selesai 13 tahun kemudian, lebih panjang 228 kaki namun hanya menggunakan 1.500 lenturan.

Jembatan terdiri dari tiga elemen kunci: substruktur (fondasi) yang mentransfer beban jembatan ke tanah; superstruktur, platform horizontal di antara kolom; dan deck, permukaan lalu lintas yang ditambahkan ke superstruktur.

Sejarah

Manusia awal meniru alam, berjalan di atas pohon yang jatuh di seluruh sungai dan kemudian menempatkan batang pohon atau plat batu untuk membuat persilangan. Untuk air yang lebih lebar, mereka menumpuk batu dan meletakkan balok kayu atau batu di antara kolom dan tepi.

Herodotus menggambarkan jembatan pertama yang didokumentasikan pada tahun 484 SM, struktur kayu yang didukung oleh kolom batu yang dibangun di seluruh Sungai Euphrates sekitar 300 tahun sebelumnya.

Romawi, terkenal dengan jembatan lengkung batu dan beton mereka, juga membangun jembatan balok. Jembatan balok Romawi pertama, Pons Sublicius di seluruh Sungai Tiber pada tahun 620 SM, terbuat dari balok kayu (sublicae). Konstruksi Romawi menggunakan cofferdam: lingkaran kayu yang ditiup ke tanah, ditempel dengan lumpur, dan dipompa kering untuk memungkinkan beton mengeras di tempat.

Transisi dari seni ke ilmu dimulai pada tahun 1717 ketika insinyur Prancis Hubert Gautier menerbitkan treatise tentang pembangunan jembatan. Pada tahun 1847, insinyur Amerika Squire Whipple merilis A Work on Bridge Building, memperkenalkan metode analitik pertama untuk stres dan regangan pada jembatan. Konsultasi teknik jembatan menjadi spesialisasi teknik sipil pada tahun 1880-an.

Kemajuan dalam konstruksi jembatan balok sebagian besar telah mengikuti perbaikan dalam bahan bangunan.

Bahan Konstruksi dan Perkembangannya

Jembatan balok raya modern terutama dibangun dari beton dan baja. Romawi menggunakan campuran kapur-pozzolana yang mengeras dengan cepat, bahkan di bawah air, dan kuat serta tahan air. Di Abad Tengah, mortar kapur menggantikan ini namun larut dalam air. Portland cement yang ditemukan pada tahun 1824 oleh Joseph Aspdin menjadi umum untuk fondasi pada awal abad ke-1900.

Beton unguh di bawah kompresi tetapi lebih lemah di bawah tarik. Upaya abad ke-19 untuk memperkuatnya melibatkan penanam besi. Insinyur Prancis François Hennebique menyempurnakan beton bertulang pada tahun 1880-an dengan menggunakan tulang besi baja. Jembatan Amerika pertama yang signifikan menggunakan beton bertulang adalah Alvord Lake Bridge di Golden Gate Park San Francisco, diselesaikan pada tahun 1889 dan masih digunakan hingga kini.

Kemajuan berikutnya adalah prestressing: menarik tulang baja di dalam balok beton sebelum atau setelah dicetak. Ini pre-kompres beton, mengimbangi gaya tarik yang timbul saat beban diterapkan. Prestressing dapat diterapkan pada balok pra-cetak yang diangkut ke lokasi atau pada beton cast-in-place. Pretensioning menerapkan tarikan sebelum mencetak; post-tensioning menerapkannya setelah beton mengeras di sekitar baja.

Desain

Setiap jembatan membutuhkan desain yang disesuaikan yang mempertimbangkan topografi, arus air, pembentukan es, angin, aktivitas seismik, kondisi tanah, lalu lintas yang diproyeksikan, estetika, dan batasan biaya. Kesehatan struktural memerlukan analisis beban mati (berat jembatan itu sendiri), beban hidup (lalu lintas), dan beban lingkungan (angin, gaya seismik, tabrakan). Sejak akhir tahun 1960-an, redundancy—memastikan bahwa kegagalan satu anggota tidak meruntuhkan seluruh struktur—telah menjadi prinsip desain standar.

Proses Manufaktur

Konstruksi bervariasi menurut lokasi dan tujuan, namun langkah-langkah berikut mengilustrasikan jembatan beton bertulang tipis di atas sungai dangkal dengan dukungan kolom perantara.

Berikut adalah contoh dimensi dari jembatan bebas tol tahun 1993 di seluruh Rio Grande di Albuquerque, New Mexico: panjang 1.245 kaki, lebar 10 saluran, 88 kolom, 11.456 yard kubik beton struktural, 8.000 yard kubik beton jalan, dan 6,2 juta pound tulang baja.

Substruktur

• Buat cofferdam di sekitar setiap lokasi kolom dan pompa air keluar. Bor shaft hingga batuan dasar (≈80 kaki/24,4 m dalam). Saat tanah diekstrak, lumpur kapur menjaga shaft dari runtuh. Turunkan rangka tulang besi diameter 72 in (2 m) ke dalam shaft yang terisi lumpur dan pompa beton ke dasar. Lumpur dikeluarkan di atas, dikumpulkan, dan digunakan kembali.
• Siapkan abutment jembatan di tepi sungai. Cor beton dinding penahan antara puncak tepi dan dasar sungai untuk menahan tanah di luar ujung jembatan. Bentuk ledge (tempat duduk) di atas dinding penahan; dinding sayap dapat meluas ke luar untuk menahan isian pendekatan.
• Untuk contoh ini, setiap titik dukungan menggunakan pasangan kolom. Pasang balok cap beton bertulang tegak lurus dengan arah jembatan, menghubungkan puncak dua kolom. Desain lain dapat menggunakan pier persegi panjang atau kolom T tunggal.

Superstruktur

• Gunakan crane untuk menempatkan balok baja atau beton prestress antara set kolom. Baut balok ke cap kolom. Di Albuquerque, setiap balok tinggi 6 kaki (1,8 m), panjang hingga 130 kaki (40 m), dan berat hingga 54 ton.
• Letakkan panel baja atau slab beton pra-cetak di atas balok untuk membentuk platform padat. Sebuah produsen menawarkan panel steel bergelombang dalam 4,5 in (11,43 cm); alternatif adalah steel form stay-in-place untuk beton deck.

Deck

• Letakkan lapisan penahan kelembaban di atas platform superstruktur; polymer-modified asphalt yang diaplikasikan panas umum.
• Buat grid tulang besi tiga dimensi di atas lapisan penahan, dengan lapisan di dekat dasar dan atas slab beton di masa depan.
• Cor beton jalan. Untuk tol, 8–12 in (20,32–30,5 cm) beton umum. Jika stay-in-place forms digunakan, cor langsung di dalamnya; jika tidak, gunakan slipform machine untuk cor berkelanjutan, pengikatan, dan pengikisan. Terapkan tekstur anti-gelap dengan menggaruk slab segar dengan kuas atau kain goni. Berikan lubang lateral setiap 15 kaki (5 m) untuk mencegah retakan; seal dengan sealant fleksibel.

Kontrol Kualitas

Desain dan konstruksi jembatan harus memenuhi standar dari agensi seperti American Association of State Highway and Transportation Officials, American Society for Testing and Materials, dan American Concrete Institute. Bahan dan komponen struktural diuji selama konstruksi. Untuk proyek Albuquerque, uji kekuatan statis dan dinamis dilakukan pada contoh fondasi kolom dan pada dua shaft produksi.

Masa Depan

Penelitian oleh agensi pemerintah dan asosiasi industri berfokus pada bahan yang lebih ringan, lebih kuat, dan lebih awet. Inovasi masa depan termasuk formulasi beton high-performance, komposit polymer serat serat untuk menggantikan beton di beberapa komponen, lapisan epoksi dan sistem pelindung elektrokimia untuk tulang besi, serat sintesis alternatif, dan teknik pengujian yang lebih cepat dan akurat.