Ketika melintasi jambatan, kita mungkin terlihat sambungan logam yang merentasi permukaan jalan, dan kadangkala tayar kenderaan menghasilkan bunyi apabila melaluinya. Salah satu fungsi sambungan ini ialah membenarkan bahagian jambatan bergerak sedikit apabila suhu berubah. Walaupun perubahan panjang itu kecil berbanding keseluruhan jambatan, pergerakan tersebut perlu diambil kira dalam reka bentuk struktur, kerana puncanya ialah pengembangan terma.
Mengapakah bahan pepejal mengembang apabila dipanaskan?
Keluli, konkrit dan bahan binaan lain terdiri daripada atom yang saling berinteraksi. Dalam pepejal, atom bergetar di sekitar kedudukan keseimbangan, dan apabila suhu meningkat, tenaga yang berkaitan dengan gerakan mikroskopik ini turut meningkat. Bagi kebanyakan pepejal dalam keadaan biasa, interaksi antara atom menyebabkan jarak purata antara kedudukan atom bertambah sedikit. Perubahan yang sangat kecil pada skala atom ini terkumpul sepanjang bahan, lalu dimensinya bertambah.
Tidak semua bahan mempunyai kadar pengembangan yang sama, dan sesetengah bahan juga menunjukkan tingkah laku luar biasa dalam julat suhu tertentu. Penerangan fizik universiti oleh OpenStax menghubungkan pengembangan terma pepejal dengan perubahan tenaga getaran atom dan sifat interaksi antara zarah bahan.
Berapakah pertambahan panjang jambatan?
Bagi bahan yang mengembang secara hampir seragam, perubahan panjang boleh dianggarkan dengan hubungan ΔL = αL₀ΔT. Di sini ΔL ialah perubahan panjang dalam meter, α ialah pekali pengembangan linear dalam K⁻¹, L₀ ialah panjang asal dalam meter dan ΔT ialah perubahan suhu dalam kelvin atau darjah Celsius. Pekali pengembangan linear menerangkan perubahan panjang relatif sesuatu bahan bagi setiap perubahan suhu satu kelvin.
Sebagai contoh, nilai rujukan pekali pengembangan linear bagi keluli biasa ialah kira-kira 12 × 10⁻⁶ K⁻¹, iaitu anggaran kerana jenis dan komposisi keluli boleh mempengaruhi nilai sebenar. Bayangkan sebatang komponen keluli sepanjang 100 meter mengalami peningkatan suhu seragam sebanyak 30 darjah Celsius. Perubahan panjang anggarannya ialah (12 × 10⁻⁶) × 100 × 30 = 0.036 meter, iaitu kira-kira 36 milimeter lebih panjang jika dibenarkan mengembang dengan bebas. Nilai itu kelihatan kecil, tetapi dalam struktur kejuruteraan yang besar, pergerakan tersebut perlu diambil kira.
Apakah yang berlaku jika pengembangan dihalang?
Bayangkan sebatang keluli dipasang dengan kedua-dua hujungnya terkunci sepenuhnya. Apabila suhu meningkat, keluli cenderung mengembang, tetapi kedudukan kedua-dua hujungnya tidak membenarkan pertambahan panjang berlaku dengan bebas. Akibatnya, daya dalaman terbentuk dalam bahan, dan keadaan ini menghasilkan tegasan terma. Dalam model ringkas, jika pengembangan dihalang sepenuhnya, peningkatan suhu menghasilkan tegasan mampatan, manakala penurunan suhu boleh menghasilkan tegasan tegangan apabila pengecutan dihalang.
Tegasan yang berlebihan boleh menyumbang kepada ubah bentuk atau kerosakan struktur, bergantung pada sifat bahan dan keadaan sokongan. Dalam jambatan sebenar, tegasan terma berinteraksi dengan pelbagai faktor lain, termasuk beban kenderaan, berat struktur, perubahan suhu yang tidak seragam dan keadaan sokongan. Oleh itu, jurutera mempertimbangkan pengembangan terma sebagai sebahagian daripada analisis keseluruhan struktur.
Bagaimanakah sambungan pengembangan berfungsi?
Sesetengah jambatan mempunyai sambungan pengembangan pada bahagian tertentu dek. Sambungan ini direka supaya bahagian struktur yang bersebelahan boleh bergerak relatif antara satu sama lain dalam julat yang dibenarkan. Apabila suhu jambatan meningkat, struktur yang mengembang boleh mengecilkan bukaan sambungan, dan apabila suhu menurun, pengecutan struktur boleh membesarkan bukaan itu. Pergerakan sebenar bergantung pada kedudukan sokongan tetap, sokongan yang membenarkan pergerakan dan susunan struktur jambatan.
Sambungan pengembangan bukan sekadar ruang kosong. Sesetengah reka bentuk menggunakan komponen logam, pengedap atau sistem mekanikal untuk menampung pergerakan sambil menyediakan permukaan yang boleh dilalui kenderaan. Panduan Federal Highway Administration (FHWA) menerangkan bahawa sambungan pengembangan dek digunakan untuk menampung pergerakan terma struktur atas jambatan.
Adakah semua jambatan memerlukan sambungan pengembangan?
Tidak. Sesetengah jambatan moden direka tanpa sambungan pengembangan pada dek, dan reka bentuk ini dikenali sebagai jambatan tanpa sambungan atau jointless bridge. Dalam sesetengah sistem, hujung jambatan disambungkan kepada struktur sokongan yang cukup lentur untuk menampung pergerakan akibat perubahan suhu. Contohnya, jambatan dengan tembok penahan hujung bersepadu boleh memindahkan sebahagian kesan pengembangan dan pengecutan kepada sistem sokongan serta asas yang direka untuk menerimanya.
Reka bentuk tanpa sambungan mempunyai kelebihan tertentu kerana sambungan dek boleh menjadi tempat air dan bahan pencemar memasuki bahagian struktur di bawahnya, lalu menyumbang kepada kakisan dan meningkatkan keperluan penyelenggaraan. Walau bagaimanapun, jambatan tanpa sambungan tidak bermaksud pengembangan terma telah dihapuskan, kerana pergerakan dan tegasan akibat perubahan suhu masih perlu diambil kira dalam reka bentuk. FHWA menerangkan bahawa jambatan sebegini boleh menggunakan kelenturan sistem sokongan untuk menampung pergerakan terma, sekali gus mengurangkan masalah penyelenggaraan yang berkaitan dengan sambungan dek.
Bagaimana kita mengetahui hal ini?
Sebatang komponen keluli sepanjang 100 meter dibenarkan mengembang secara bebas apabila suhunya meningkat sebanyak 30 darjah Celsius. Jika pekali pengembangan linearnya ialah 12 × 10⁻⁶ K⁻¹, berapakah pertambahan panjang anggarannya?