Modul Belajar Merancang Jembatan
Event For : Everybody
Ringkasan
Siswa akan belajar tentang berbagai jenis beban yang mungkin terjadi, cara menghitung kombinasi beban maksimum, dan menyelidiki ukuran yang berbeda untuk balok (girder) dan kolom (pier) pada desain jembatan sederhana. Mereka akan mempelajari langkah-langkah yang digunakan para insinyur dalam merancang jembatan dengan melakukan aktivitas langsung untuk membuat prototipe struktur mereka sendiri. Siswa akan mulai memahami masalah, dan belajar cara menentukan potensi beban jembatan, menghitung beban tertinggi yang mungkin terjadi, dan menghitung jumlah material yang dibutuhkan untuk menahan beban tersebut.
Kurikulum teknik ini selaras dengan Next Generation Science Standards (NGSS).
Koneksi dengan Dunia Teknik
Para insinyur yang merancang struktur harus memahami sepenuhnya masalah yang akan dipecahkan, termasuk kompleksitas lokasi dan kebutuhan pelanggan. Untuk merancang jembatan yang aman dan tahan lama, para insinyur mempertimbangkan berbagai jenis beban, bagaimana beban tersebut diterapkan, dan di mana lokasinya. Insinyur sering kali bertujuan untuk menciptakan desain yang paling kuat dan teringan—yang memiliki rasio kekuatan terhadap berat tertinggi.
Tujuan Pembelajaran
Setelah pelajaran ini, siswa diharapkan mampu:
Menyebutkan beberapa contoh beban yang dapat memengaruhi jembatan.
Menjelaskan mengapa pengetahuan tentang berbagai beban atau gaya penting dalam desain jembatan.
Menjelaskan proses yang digunakan seorang insinyur untuk merancang jembatan, termasuk menentukan beban, menghitung beban tertinggi, dan menghitung jumlah material yang dibutuhkan untuk menahan beban tersebut.
Standar Pendidikan
NGSS: Next Generation Science Standards - Sains
Common Core State Standards - Matematika
International Technology and Engineering Educators Association - Teknologi
Lembar Kerja dan Lampiran
Load Combinations Worksheet (docx)
Load Combinations Worksheet Answers (docx)
Pengetahuan Prasyarat
Siswa diharapkan memiliki pemahaman dasar tentang jenis-jenis jembatan, seperti yang diperkenalkan pada pelajaran pertama unit Jembatan, termasuk luas, serta gaya tekan dan tarik.
Pendahuluan/Motivasi
Kita tahu bahwa jembatan memainkan peran penting dalam kehidupan sehari-hari. Kita tahu bahwa jembatan adalah komponen penting dari kota dan jalan raya yang menghubungkan populasi manusia. Beberapa jembatan sederhana dan lurus; yang lain sangat kompleks.
Apa saja jembatan yang kalian ketahui yang bisa disebut jembatan sederhana? (Kemungkinan jawaban: Jembatan kayu di atas sungai kecil, jembatan di atas anak sungai.) Apa saja jembatan yang kalian ketahui yang bisa dianggap lebih rumit? (Kemungkinan jawaban: Jembatan Golden Gate, jembatan besar lainnya, jembatan yang membawa lalu lintas jalan raya dan kereta api.) Apa yang membuat beberapa jembatan sederhana dan yang lain kompleks? (Kemungkinan jawaban: Ukuran, tujuan ganda, kondisi lingkungan, gaya lingkungan, persyaratan pemeliharaan material, dll.)
Salah satu contoh menakjubkan dari kontribusi jembatan dalam menghubungkan orang-orang ke populasi dan tempat lain untuk alasan sosial dan perdagangan adalah Sky Gate Bridge yang menghubungkan orang-orang ke Bandara Internasional Kansai Jepang, yang terletak di Teluk Osaka.
Semua berawal ketika bandara Osaka dan Tokyo di dekatnya tidak dapat memenuhi permintaan, juga tidak dapat diperluas. Untuk memecahkan masalah, masyarakat Jepang mengambil salah satu proyek teknik paling menantang yang pernah ada di dunia. Karena mereka tidak memiliki lahan untuk bandara baru, mereka memutuskan untuk membuat Bandara Internasional Kansai dengan membangun seluruh pulau! Di pulau buatan yang baru ini, mereka membangun terminal bandara dan landasan pacu. Kemudian, mereka membutuhkan jembatan untuk mengaksesnya. Membentang 3,7 km dari daratan di Osaka ke bandara di teluk laut, Sky Gate Bridge adalah salah satu jembatan truss terpanjang di dunia dan memiliki dek atas untuk transportasi mobil dan dek internal bawah untuk jalur kereta api.
Dianggap sebagai keajaiban teknik modern, bandara dan jembatan ini dibuka pada tahun 1994. Empat bulan kemudian, ia selamat dari gempa berkekuatan 6,7 Skala Richter dengan hanya kerusakan kecil. Karena lokasi bandara dibangun di atas tanah yang padat, ia tenggelam 2-4 cm per tahun—kondisi lain yang harus dipertimbangkan oleh para insinyur dalam keselamatan dan pemeliharaan bandara dan jembatan yang berkelanjutan.
Tidak mudah untuk membuat jembatan seukuran Sky Gate Bridge. Pernahkah kalian bertanya-tanya bagaimana para insinyur benar-benar merancang seluruh jembatan? Jembatan sering kali dirancang satu per satu. Setiap pier (kolom) dan girder (balok) harus memenuhi kriteria tertentu untuk keberhasilan seluruh jembatan. Insinyur struktur melalui beberapa langkah dari proses desain teknik bahkan sebelum memunculkan ide untuk desain akhir mereka.
Tanya: Pertama dan terpenting, para insinyur harus memahami masalah sepenuhnya. Untuk melakukan ini, mereka mengajukan banyak pertanyaan. Apa saja pertanyaan yang mungkin diajukan oleh para insinyur? (Kemungkinan jawaban: Seberapa kuatkah jembatan itu harus dibuat? Bahan apa yang akan digunakan? Bagaimana kalian akan menancapkan fondasi pier? Fenomena alam apa yang mungkin harus mampu ditahan oleh jembatan kalian?)
Riset: Selanjutnya, para insinyur harus menentukan jenis beban atau gaya apa yang mereka harapkan akan dibawa oleh jembatan. Beban mungkin termasuk lalu lintas seperti kereta api, truk, sepeda, orang, dan mobil. Beban lain mungkin dari lingkungan alam. Misalnya, jembatan di Florida harus mampu menahan gaya badai. Jadi, para insinyur meneliti cuaca lokal, tanah, dan faktor-faktor lain untuk mempertimbangkan beban seperti angin, badai, tornado, salju, gempa bumi, air sungai yang deras, dan terkadang genangan air. Dapatkah kalian memikirkan beban lain yang mungkin bekerja pada jembatan jenis apa pun?
Langkah selanjutnya adalah menentukan apakah beban-beban ini dapat terjadi pada saat yang sama dan kombinasi beban apa yang memberikan gaya (tekanan) setinggi mungkin pada jembatan. Misalnya, kereta api yang melintasi jembatan dan gempa bumi di sekitar jembatan dapat terjadi pada saat yang sama. Namun, banyak kendaraan yang melintasi jembatan dan tornado yang melintas di dekat jembatan mungkin tidak akan terjadi pada saat yang sama.
Setelah menghitung gaya terbesar yang diantisipasi dari semua kemungkinan kombinasi beban, para insinyur menggunakan persamaan matematis untuk menghitung jumlah material yang dibutuhkan untuk menahan beban dalam desain tersebut. (Demi kesederhanaan, kita tidak akan mempertimbangkan bagaimana gaya-gaya ini bekerja pada jembatan; cukup mengetahui bahwa gaya-gaya itu bekerja pada jembatan sudah memadai.)
Bayangkan: Setelah mempertimbangkan semua perhitungan ini, para insinyur melakukan brainstorming ide-ide desain yang berbeda yang akan mengakomodasi beban yang diantisipasi dan jumlah material yang dibutuhkan. Mereka membagi desain mereka menjadi bagian-bagian yang lebih kecil dan mengerjakan kriteria desain untuk semua komponen jembatan.
Latar Belakang dan Konsep Pelajaran untuk Guru
Untuk merancang struktur jembatan yang aman, proses desain teknik mencakup langkah-langkah berikut: 1) mengembangkan pemahaman yang lengkap tentang masalah, 2) menentukan potensi beban jembatan, 3) menggabungkan beban-beban ini untuk menentukan beban potensi tertinggi, dan 4) menghitung hubungan matematis untuk menentukan berapa banyak material tertentu yang dibutuhkan untuk menahan beban tertinggi.
Memahami Masalah
Salah satu langkah terpenting dalam proses desain adalah memahami masalah. Jika tidak, kerja keras dari desain mungkin akan sia-sia. Dalam merancang jembatan, misalnya, jika tim desain teknik tidak memahami tujuan jembatan, maka desain mereka bisa sama sekali tidak relevan untuk memecahkan masalah. Jika mereka diberi tahu untuk merancang jembatan untuk menyeberangi sungai, tanpa mengetahui lebih banyak, mereka bisa merancang jembatan untuk kereta api. Tetapi, jika jembatan itu seharusnya hanya untuk pejalan kaki dan pengendara sepeda, kemungkinan akan dirancang secara berlebihan dan tidak perlu mahal (atau sebaliknya). Jadi, agar desain menjadi sesuai, efisien, dan ekonomis, tim desain harus terlebih dahulu memahami sepenuhnya masalah sebelum mengambil tindakan apa pun.
Penentuan Beban
Menentukan potensi beban atau gaya yang diantisipasi akan bekerja pada jembatan terkait dengan lokasi dan tujuan jembatan. Para insinyur mempertimbangkan tiga jenis beban utama: beban mati (dead loads), beban hidup (live loads), dan beban lingkungan (environmental loads).
Beban mati mencakup berat jembatan itu sendiri ditambah objek permanen lain yang terpasang pada jembatan, seperti loket tol, rambu jalan raya, pagar pembatas, gerbang, atau permukaan jalan beton.
Beban hidup adalah beban sementara yang bekerja pada jembatan, seperti mobil, truk, kereta api, atau pejalan kaki.
Beban lingkungan adalah beban sementara yang bekerja pada jembatan dan disebabkan oleh cuaca atau pengaruh lingkungan lainnya, seperti angin dari badai, tornado, atau hembusan tinggi; salju; dan gempa bumi. Genangan air hujan juga bisa menjadi faktor jika drainase yang tepat tidak disediakan.
Nilai untuk beban-beban ini tergantung pada penggunaan dan lokasi jembatan. Contoh: Kolom dan balok jembatan bertingkat yang dirancang untuk kereta api, kendaraan, dan pejalan kaki harus mampu menahan beban gabungan dari ketiga penggunaan jembatan pada saat yang sama. Beban salju yang diantisipasi untuk jembatan di Colorado akan jauh lebih tinggi daripada jembatan di Georgia. Jembatan di Carolina Selatan harus dirancang untuk menahan beban gempa bumi dan beban angin badai, sementara jembatan yang sama di Nebraska harus dirancang untuk beban angin tornado.
Kombinasi Beban
Selama desain jembatan, menggabungkan beban untuk jembatan tertentu adalah langkah penting. Para insinyur menggunakan beberapa metode untuk menyelesaikan tugas ini. Dua metode yang paling populer adalah metode UBC dan ASCE.
Uniform Building Code (UBC), standar kode bangunan yang diadopsi oleh banyak negara bagian, mendefinisikan lima kombinasi beban yang berbeda. Dengan metode ini, kombinasi beban yang menghasilkan beban tertinggi atau efek paling kritis digunakan untuk perencanaan desain. Lima kombinasi beban UBC adalah:
Beban Mati + Beban Hidup + Beban Salju
Beban Mati + Beban Hidup + Beban Angin (atau Beban Gempa)
Beban Mati + Beban Hidup + Beban Angin + (Beban Salju ÷ 2)
Beban Mati + Beban Hidup + Beban Salju + (Beban Angin ÷ 2)
Beban Mati + Beban Hidup + Beban Salju + Beban Gempa
American Society of Civil Engineers (ASCE) mendefinisikan enam kombinasi beban yang berbeda. Seperti halnya metode UBC, kombinasi beban yang menghasilkan beban tertinggi atau efek paling kritis digunakan untuk perencanaan desain. Namun, perhitungan beban untuk ASCE lebih kompleks daripada UBC. Untuk tujuan pelajaran ini dan aktivitas terkait Load It Up!, kita akan menggunakan lima kombinasi beban UBC.
Penentuan Ukuran Anggota
Setelah seorang insinyur menentukan kombinasi beban tertinggi atau paling kritis, mereka menentukan ukuran anggota. Anggota jembatan adalah setiap bagian utama individual dari struktur jembatan, seperti kolom (pier) atau balok (girder). Ukuran kolom dan balok dihitung secara independen.
Untuk mencari ukuran kolom, insinyur melakukan perhitungan menggunakan kekuatan material yang telah ditentukan sebelumnya melalui pengujian. Sketsa pada Gambar 1 menunjukkan beban yang bekerja pada kolom. Gaya ini mewakili kombinasi beban tertinggi atau paling kritis dari atas. Beban ini bekerja pada luas penampang kolom.
Tegangan akibat beban ini adalah σ = Gaya ÷ Luas. Dalam Gambar 1, luasnya tidak diketahui sehingga tegangan tidak diketahui. Oleh karena itu, penggunaan kekuatan tarik dan tekan material digunakan untuk mengukur anggota dan persamaannya menjadi Gaya = Fy x Luas, di mana gaya adalah kombinasi beban tertinggi atau paling kritis. Fy dapat berupa kekuatan tarik atau kekuatan tekan material. Untuk baja bangunan umum, nilai ini biasanya 50,000 lb/in2. Untuk beton, nilai ini biasanya dalam kisaran 3,500 lb/in2 hingga 5,000 lb/in2 untuk kompresi. Biasanya, para insinyur mengasumsikan bahwa kekuatan tarik beton adalah nol. Oleh karena itu, mencari Luas, Luas = Gaya ÷ Fy. Menjaga satuan tetap konsisten itu penting: Gaya diukur dalam pound (lbs) dan Fy dalam pound per inci persegi (lb/in2). Luas mudah dicari dan diukur dalam inci persegi (in2).
Untuk mencari ukuran balok, insinyur melakukan lebih banyak perhitungan. Sketsa pada Gambar 2 menunjukkan balok dengan beban yang bekerja padanya. Beban ini adalah kombinasi beban tertinggi atau paling kritis yang bekerja di atas balok di bentang tengah. Gaya tekan biasanya bekerja di atas balok dan gaya tarik bekerja di bawah balok karena pembebanan khusus ini. Untuk contoh ini, persamaan untuk menghitung luas menjadi sedikit lebih rumit daripada untuk ukuran kolom. Dengan beban tunggal yang bekerja di bentang tengah balok, persamaannya adalah Gaya x Panjang ÷ 4 = Fy x Zx. Seperti sebelumnya, gaya sama dengan kombinasi beban tertinggi atau paling kritis dalam pound (lbs). Panjang adalah total panjang balok yang biasanya diketahui. Biasanya, satuan panjang diberikan dalam kaki (ft) dan sering kali diubah menjadi inci. Fy adalah kekuatan tarik atau kekuatan tekan material seperti yang dijelaskan di atas. Zx adalah koefisien yang melibatkan dimensi luas penampang anggota. Oleh karena itu, Zx = (Gaya x Panjang) ÷ (Fy x 4), di mana Zx memiliki satuan inci kubik (in3).
Setiap bentuk balok memiliki perhitungan luas penampang sendiri. Kebanyakan balok sebenarnya memiliki penampang persegi panjang pada bangunan beton bertulang, tetapi desain penampang terbaik adalah balok berbentuk I untuk satu arah lentur (atas dan bawah). Untuk dua arah gerakan, balok berbentuk kotak, atau balok persegi panjang berongga, bekerja dengan baik (lihat Gambar 3).
Aktivitas Terkait
Load It Up! - Siswa akan melihat secara langsung desain pier (kolom) jembatan. Menggunakan tanah liat, marshmallow, atau busa, mereka merancang dan menguji model kolom untuk menahan beban yang telah ditentukan dan melakukan perhitungan untuk menentukan luas penampang kolom.
Penutup Pelajaran
Luangkan waktu sejenak dan pikirkan semua jembatan yang kalian ketahui di sekitar rumah dan komunitas kalian. Mungkin kalian melihatnya di jalan raya, jalur sepeda, atau jalur pejalan kaki. Pikirkan jembatan yang memiliki pier (kolom) dan girder (balok). Seperti apa bentuknya? Dapatkah kalian mengingat ukuran pier dan girder? (Poin diskusi: Siswa mungkin ingat bahwa pier dan girder untuk jembatan pejalan kaki dan sepeda jauh lebih kecil daripada jembatan untuk lalu lintas jalan raya atau kereta api.)
Apa saja contoh jenis beban? (Kemungkinan jawaban: Kendaraan, orang, salju, hujan, angin, berat jembatan dan pagar pembatas serta rambunya, dll.) Mengapa beban akan membuat perbedaan dalam cara seorang insinyur merancang jembatan? (Jawaban: Insinyur harus mencari tahu semua beban yang mungkin memengaruhi jembatan sebelum mereka merancangnya.) Jika kalian adalah seorang insinyur, bagaimana kalian akan merancang jembatan untuk memastikan jembatan itu aman? (Poin diskusi: Pertama, pahami sepenuhnya masalah yang akan dipecahkan dengan jembatan, persyaratan dan tujuannya. Kemudian cari tahu semua kemungkinan jenis beban [gaya] yang mungkin harus ditahan oleh jembatan. Kemudian hitung beban tertinggi yang mungkin harus ditahan oleh jembatan pada satu waktu. Kemudian cari tahu jumlah bahan konstruksi yang dibutuhkan yang dapat menahan beban yang diproyeksikan itu.)
Kosakata/Definisi
brainstorming: Metode pemecahan masalah bersama di mana semua anggota kelompok secara cepat dan spontan menyumbangkan banyak ide.
kekuatan tekan (compressive strength): Jumlah tekanan tekan yang dapat ditahan oleh suatu material sebelum gagal.
luas penampang (cross-sectional area): "Irisan" atau tampilan atas dari suatu bentuk (seperti girder atau pier).
desain (design): (kata kerja) Merencanakan dalam bentuk yang sistematis, sering kali grafis. Menciptakan untuk tujuan atau efek tertentu. Merancang jembatan. (kata benda) Rencana yang dipikirkan dengan matang.
insinyur (engineer): Seseorang yang menerapkan pemahaman mereka tentang sains dan matematika untuk menciptakan sesuatu demi kebaikan umat manusia dan dunia kita.
teknik (engineering): Menerapkan prinsip-prinsip ilmiah dan matematika untuk tujuan praktis seperti desain, manufaktur, dan pengoperasian struktur, mesin, proses, dan sistem yang efisien dan ekonomis.
desain teknik (engineering design): Proses merancang sistem, komponen, atau proses untuk memenuhi kebutuhan yang diinginkan. (Sumber: Accreditation Board for Engineering and Technology, Inc.)
gaya (force): Dorongan atau tarikan pada suatu objek, seperti tekan atau tarik.
girder: "Balok" jembatan; biasanya anggota horizontal.
beban (load): Setiap gaya yang dihitung oleh suatu struktur untuk dilawan, yang terdiri dari gaya yang tidak bergerak dan tidak bervariasi (beban mati), beban apa pun dari angin atau gempa bumi (beban lingkungan), dan gaya bergerak atau sementara lainnya (beban hidup).
anggota (member): Sudut, balok, pelat, atau bagian yang dibuat secara individual yang dimaksudkan untuk menjadi bagian integral dari bingkai atau struktur yang dirakit.
pier: "Kolom" jembatan; biasanya anggota vertikal.
kekuatan tarik (tensile strength): Jumlah tekanan tarik yang dapat ditahan oleh suatu material sebelum gagal.
Penilaian
Penilaian Pra-Pelajaran
Menggambar Berpasangan: Bagilah kelas menjadi tim yang terdiri dari tiga siswa. Mintalah setiap tim teknik membuat sketsa jembatan untuk membawa kereta api melintasi sungai yang lebarnya 100 meter. Mintalah mereka menjelaskan jenis jembatan dan di mana gaya tekan dan tarik bekerja padanya.
Penilaian Pasca-Pendahuluan
Lengkapi Desain/Presentasi: Mintalah tim siswa kembali ke desain jembatan mereka dari penilaian pra-pelajaran dan pikirkan potensi beban pada jembatan mereka, mengingat langkah-langkah proses desain teknik yang baru saja dibahas. Mintalah mereka menggambar beban dan arah yang akan bekerja pada jembatan. Apa yang mereka pikirkan akan menjadi kombinasi beban tertinggi (berapa banyak dari beban ini yang benar-benar bisa terjadi pada saat yang sama)? Kemudian, mintalah satu atau dua tim teknik untuk menjadi sukarelawan untuk mempresentasikan detail desain jembatan mereka kepada kelas.
Penilaian Ringkasan Pelajaran
Jembatan Manusia: Mintalah siswa menggunakan diri mereka sendiri sebagai bahan konstruksi mentah untuk membuat jembatan yang membentang di ruang kelas dan cukup kuat sehingga seekor kucing bisa berjalan di atasnya. Dorong mereka untuk menjadi kreatif dan mendesainnya sesuka mereka, dengan persyaratan bahwa setiap orang harus bersentuhan langsung dengan anggota kelas lainnya. Berapa banyak tempat yang dapat kalian identifikasi sebagai tarikan dan tekanan? Bagaimana kalian akan mengubah desain jika jembatan manusia harus cukup kuat untuk dilewati seorang anak? Beban lain apa yang mungkin bekerja pada jembatan kalian?
Diskusi Penutup: Akhiri pelajaran dan ukur pemahaman siswa tentang tujuan pembelajaran dengan memimpin diskusi kelas menggunakan pertanyaan yang disediakan di bagian Penutup Pelajaran.
Pekerjaan Rumah
Lembar Kerja Matematika: Tugaskan siswa lembar kerja terlampir Load Combinations Worksheet sebagai pekerjaan rumah. Setelah menggunakan lima kombinasi beban UBC untuk menghitung beban tertinggi atau paling kritis pada halaman pertama, mereka menggunakan informasi itu untuk menyelesaikan tiga masalah pada halaman berikutnya, menentukan ukuran yang diperlukan dari anggota jembatan dengan bentuk dan material yang ditentukan. Tiga pertanyaan masalah meningkat kesulitannya: siswa yang lebih muda harus menyelesaikan hanya masalah 1; siswa yang lebih tua harus menyelesaikan masalah 1 dan 2; siswa matematika tingkat lanjut harus menyelesaikan ketiga masalah.
Aktivitas Perluasan Pelajaran
Mintalah siswa membangun dan menguji kapasitas daya dukung beban jembatan kayu balsa. Mulailah dengan melihat situs web Peter L. Vogel tentang Kontes Membangun Jembatan Balsa di http://www.balsabridge.com/
Kecelakaan terjadi! Tugaskan siswa untuk menyelidiki dan melaporkan apa yang salah ketika balok baja dari jembatan layang jalan raya jatuh ke kendaraan yang sedang bergerak. Baca ringkasan kecelakaan jalan raya National Transportation Safety Board Mei 2004 dengan foto. Lihat NTSB Abstract HAB-06/01, Passenger Vehicle Collision with a Fallen Overhead Bridge Girder di: http://www.ntsb.gov/news/events/2006/golden_co/presentations.html
Mintalah kelas berpartisipasi dalam Kontes Desain Jembatan West Point tahunan. Akses perangkat lunak desain jembatan yang sangat baik dan gratis untuk diunduh serta sumber daya pendidikan lainnya di situs web US Military Academy at West Point: bridgecontest.usma.edu/
Dukungan Multimedia Tambahan
Gunakan perangkat lunak Bridge Designer online (tidak perlu mengunduh!) yang disediakan oleh Virtual Laboratories, Whiting School of Engineering, Johns Hopkins University: http://engineering.jhu.edu/ei/bridge-designer/
