Infrastruktur sipil merupakan aset sangat berharga yang mendukung berbagai aktivitas masyarakat. Salah satunya adalah jembatan, berfungsi untuk menghubungkan jalan yang terpisah oleh sungai, lembah, atau lintasan lainnya. Kehadiran jembatan membantu memperpendek waktu tempuh dan mengurangi biaya perjalanan bagi masyarakat.

Jembatan mengalami penurunan kualitas struktur seiring penggunaannya, sehingga diperlukan pemantauan kondisi fungsional strukturnya, seperti masa layan (life span). Faktor seperti gempa bumi, angin yang sangat kencang, perubahan lingkungan, dan beban kendaraan pengangkut barang yang berlebihan dapat memberikan dampak negatif terhadap integritas struktur jembatan. Pemeriksaan kondisi dan evaluasi kesehatan jembatan secara periodik, merupakan pekerjaan yang rutin dan penting. Diantaranya adalah pemeriksaan visual, yang dilengkapi dengan pengujian dan evaluasi tak-merusak (NonDestructive Testing and Evaluation / (NDT / NDE), telah digunakan sejak lama untuk memeriksa kesehatan struktural jembatan. Namun, jenis pemeriksaan ini masih terkait dengan masalah subjektivitas dalam penilaian kondisi struktur dan sifat periodik dari pelaksanaannya (dalam satuan waktu yang tidak kontinu), yakni sifat kontinu dari pemeriksaan visual (yang dilakukan oleh operator secara manual) terbatasi dalam kuantitas dan kualitas data kondisi struktur yang dikumpulkan, dibandingkan dengan kontinuitas pemeriksaan otomatis (yang dilakukan oleh sistem elektronik) yang lebih tinggi kuantitas dan kualitas datanya.
Untuk itu, pemantauan dan pemeriksaan kondisi struktur jembatan yang objektif dan kontinyu (berupa Sistem Monitoring Kesehatan Struktur (SMKS) / Structural Health Monitoring System (SHMS)) dapat menjadi upaya yang lebih baik untuk mengatasi masalah tersebut.
Tujuan umum MKS (Monitoring Kesehatan Struktur) adalah untuk mendapatkan data kuantitatif secara waktu-nyata (real-time) mengenai perilaku struktur dan mengevaluasi kondisi terkini dari jembatan, yang memungkinkan pihak tertentu untuk mengambil keputusan terkait masa depan jembatan tersebut, berupa tindakan perawatan atau perbaikan.
MKS jembatan terdiri dari jaringan sensor berkabel maupun nirkabel, yang membantu dalam pengukuran data seakurat mungkin. Saat ini, terdapat kemajuan yang signifikan dalam teknologi MKS jembatan yang dicapai dengan penelitian yang ekstensif, berupa kegunaan deteksi kerusakan yang meliputi: respons frekuensi, proses statistikal, efek temperatur, maupun analisis perpindahan dan peregangan.

 

MKS Jembatan
MKS merupakan metode pengukuran dan evaluasi struktur in-situ yang tak-merusak. Metode ini menggunakan beragam sensor yang dipasang atau ditanam ke dalam struktur untuk memantau respons struktur, menganalisis karakteristik struktur (memperkirakan tingkat  keparahan dari kerusakan  struktur), dan evaluasi konsekuensinya terhadap struktur dalam hal respons, kapasitas, dan masa-layan (Mufti, 2001). Beragam jenis data yang diukur secara kontinu dari sensor dikumpulkan, dianalisis, dan disimpan untuk evaluasi serta acuan di masa depan.
Lebih lanjut, MKS tidak hanya berupa akuisisi data respons suatu struktur terhadap eksitasi eksternal dan internal, tetapi juga penelaahan data tersebut untuk mengukur perubahan keadaan struktur dan estimasi beberapa aspek seperti kapasitas dan masa-layan yang tersisa. Untuk memahami pentingnya MKS dalam evaluasi struktur, perlu dipahami lebih lanjut bagaimana perubahan kondisi struktur dapat dikategorikan sebagai kerusakan.
Kerusakan menurut Sohn dkk. (2003) mendefinisikan sebagai perubahan yang terjadi pada suatu sistem yang memengaruhi kinerja sistem tersebut. Umumnya, kerusakan disebabkan penuaan material atau kejadian katastrofik yang menyebabkan kerusakan parah.
Dalam Pedoman Pemeriksaan Jembatan Tahun  2022, kerusakan yang perlu diperhatikan secara serius meliputi:

1. kerusakan tersebut merugikan dan telah berkembang sampai tingkat yang berat, 
2. kerusakan tersebut membahayakan dan telah meluas, atau
3. kerusakan tersebut membahayakan, telah berkembang sampai tingkat kerusakan yang berat, dan telah meluas

Menurut Doebling dkk. (1996), kerusakan dapat dikategorikan sebagai linear atau nonlinear.
Kerusakan linear terjadi ketika struktur yang awalnya bersifat linear-elastik tetap mempertahankan sifat tersebut setelah mengalami suatu kejadian. Sementara kerusakan nonlinear berhubungan dengan situasi di mana struktur yang semula linear-elastik berubah menjadi berperilaku nonlinear setelah suatu kejadian.
Sebagai salah satu bentuk kerusakan linear, pengurangan kekakuan umumnya terjadi dalam material konstruksi yang mengalami penuaan, seperti baja, beton, beton yang diperkuat, dan lain sebagainya. Korosi baja dapat mengakibatkan pengurangan kekakuan elemen struktur. Korosi mengakibatkan pengurangan penampang melintang (cross section) dari anggota struktur, dan dengan demikian pengurangan kekakuan struktur (Gambar 2).

 

Metode Penentuan Keberadaan dan Lokasi Kerusakan Struktur
Salah satu metode deteksi kerusakan memanfaatkan perubahan frekuensi alami. Dalam teori Cawley dan Adams (1979) menggunakan rasio perubahan frekuensi alami untuk mendeteksi lokasi berkurangnya kekakuan lokal dan tingkat (secara kasar) kerusakannya. Asumsi utamanya menjelaskan frekuensi alami merupakan sebuah fungsi lokasi kerusakan saja. Namun, metode ini tidak digunakan secara luas karena memerlukan banyak pasangan mode sebelum dan sesudah kerusakan.
Metode MKS yang hanya menggunakan perubahan frekuensi alami memiliki keterbatasan intrinsik, berupa banyaknya faktor lingkungan dan  struktur yang berkaitan. Seperti yang dicontohkan Sohn (2006) temperatur dapat menyebabkan frekuensi alami struktur berubah secara signifikan dalam sehari. Perubahan tersebut, berkaitan dengan sifat fisika struktur (terutama struktur logam yang dapat memuai atau menyusut akibat perubahan temperatur) di wilayah dengan empat musim maupun dua musim yang mengalami perubahan suhu drastis.
Di samping itu, pergeseran frekuensi alami menyatakan perilaku global struktur, meskipun pergeseran tersebut menunjukkan keberadaan kerusakan, informasi tersebut tidak cukup untuk menentukan lokasinya. Untuk itu, pergeseran frekuensi alami sering digunakan dalam hubungan dengan metode MKS lainnya untuk penentuan lokasi kerusakan.
Algoritma MKS yang menggunakan sifat perubahan frekuensi alami (natural frequency) dan ragam bentuk (mode shape) (Gambar 3), kemudian dipertimbangkan dalam penentuan keberadaan dan lokasi kerusakan. Lee dkk. (2002) mengajukan sebuah metode deteksi kerusakan menggunakan frekuensi alami dan ragam bentuk.
Sementara, Kim dkk. (2002) mengajukan dua algoritma deteksi kerusakan dengan korelasi di antara pengurangan kekakuan dan perubahan frekuensi alami, serta ragam bentuk. Sebuah model balok beton pra-tegang digunakan untuk studi numerik untuk kedua metodenya. Pengurangan kekakuan digunakan sebagai kerusakan. Frekuensi alami terpantau menurun seiring tingkat parahnya kerusakan. Adapun metode berbasis ragam bentuk, memungkinkan deteksi lokasi kerusakan secara mendekati melalui indeks kerusakan serta memperkirakan tingkat keparahan kerusakan berdasarkan perbandingan kekakuan struktur.

 

Komponen Sistem MKS
MKS secara mendasar meliputi sensor dan akuisisi data, transfer dan komunikasi data, analisis dan interpretasi data, hingga manajemen data. Sebuah sistem MKS terdiri dari komponen umum sebagai berikut:

1. sensor dan jaringan akuisisi data;
2. komunikasi data;
3. pengolahan data;
4. penyimpanan data yang sudah diolah;
5. analisis diagnosis dan prognosis (yakni,  algoritma deteksi dan pemodelan kerusakan, identifikasi dan interpretasi kejadian); dan
6. pengambilan informasi yang dibutuhkan.

 

Skema Kerja MKS
Sebuah sistem MKS yang ideal seharusnya mampu menyediakan informasi menurut permintaan mengenai kondisi struktur dan peringatan terkait kerusakan yang signifikan yang terdeteksi. Skema kerja dari MKS yang umum diperlihatkan dalam Gambar 4.

 

Sensor
1. Pemilihan Sensor
Langkah awal dalam pembuatan sistem MKS yang efektif adalah pemilihan sensor yang sesuai. Sensor harus mampu mengukur parameter struktur yang diinginkan, yakni menyediakan informasi untuk pemantauan dan analisis. Contohnya, pengukuran  oleh sensor terhadap: regangan, deformasi, percepatan, lingkungan (temperatur, kelembapan, tekanan), beban, dan atribut struktur lainnya. Kriteria pemilihan sensor sebaiknya meliputi akurasi, kehandalan, kondisi pemasangan sensor, syarat daya, batasan transmisi sinyal, ketahanan, dan biaya.
2. Teknologi Pengukuran
Terdapat beragam jenis data yang diukur oleh sensor, yang berhubungan dengan respons struktur yang diperlukan dalam sistem MKS. Sensor konvensional tersedia secara komersial, diantaranya: sel beban (load cell), pengukur regangan resistansi elektrik, pengukur regangan kawat yang bergetar (vibrating wire strain gauge), transduser perpindahan, akselerometer, anemometer, termokopel, dan lain sebagainya. Secara umum, pengukuran konvensional parameter respons struktur dilakukan terhadap regangan, perpindahan, percepatan dan temperatur.
a. Pengukur Regangan Foil (Foil Strain Gauge)
Pengukur regangan foil (Gambar 5 dan 6) banyak digunakan untuk pengukuran regangan. Secara umum, sensor ini ditempelkan pada permukaan komponen struktur dan disambungkan menggunakan kabel kepada unit pembacaan data.
Saat komponen tersebut mengalami regangan, perubahan panjangnya memengaruhi kondisi fisik pengukur regangan foil yang menghasilkan sinyal tegangan listrik. Kemudian, sinyal tersebut dikirim kepada unit pembacaan data. Agar keluaran (output) dari unit pembacaan data benarbenar mencerminkan perubahan regangan pada komponen struktur, penting untuk memahami berbagai faktor yang memengaruhi kualitas  pengukuran tersebut.
Selain pengukur regangan foil, terdapat juga pengukur regangan yang dapat dilas (weldable strain gauge) (Gambar 7). Pengukur jenis ini terdiri dari pengukur regangan foil dengan desain yang khusus, yang disambungkan kepada logam penyambung untuk proses las titik kepada komponen baja.



b. Pengukur Regangan Kawat Bergetar (Vibrating Wire Strain Gauges) Pengukur regangan kawat bergetar (vibrating wire / VW) dibungkus menggunakan tabung baja yang tertutup (Gambar 8 dan 9). 
Pengukur tersebut dilengkapi dengan rangkaian magnet untuk eksitasi kawat di dalam tabung tersebut. Dalam beberapa model, rangkaian magnet dipasang di luar tabung, sementara model lainnya dipasang di dalam tabung. Secara umum, pengukur VW tahan terhadap kelembapan.
Pengukur VW relatif besar (biasanya lebih besar dari 100 mm panjangnya) yang digunakan dengan cara ditanam dalam beton atau ditempatkan pada pada permukaan komponen. Pengukur regangan pada permukaan dapat dilas, dikunci, atau diikat kepada material. Sementara, pengukur regangan yang ditanam dapat langsung dimasukan dalam beton atau dicetak  ke dalam briket beton sebelum ditempatkan dalam posisi akhirnya.


c. Transduser Diferensial Variabel Linear (Linear Variable Differential Transducers / LVDT)
LVDT digunakan untuk pengukuran perpindahan (displacement). LVDT terdiri dari tabung berlubang berisi batang logam (inti) yang dapat bergerak bebas maju-mundur sepanjang sumbu pengukuran. Inti tersebut dibuat dari material magnetik konduktif dan dikelilingi oleh lilitan kawat (Gambar 10).

Seperti diperlihatkan pada Gambar 11, rangkaian lilitan terdiri dari tiga lilitan trafo. Sebuah lilitan primer sentral diapit oleh dua lilitan sekunder, satu pada setiap sisi. Keluaran lilitan sekunder disambungkan menggunakan kawat untuk membentuk rangkaian sirkuit yang berlawanan. Saat eksitasi AC diberikan kepada lilitan primer, arus induksi terbentuk dalam lilitan sekunder melalui inti konduktif magnetik. Saat inti berjarak sama diantara kedua lilitan sekunder, tidak terdapat tegangan yang terbentuk pada keluaran sekunder. Tetapi, saat inti bergerak, sebuah tegangan diferensial muncul pada keluaran sekunder. Besar tegangan keluaran (Vout) berubah secara linear dengan besar perpindahan inti dari posisi tengah, sementara arah perpindahan inti ditunjukan oleh fasa tegangan keluaran (Gambar 12).


d. Akselerometer
Dalam teknik sipil, akselerometer yang umum digunakan adalah akselerometer piezoelektrik dan pegas-massa. Akselerometer piezoelektrik terdiri dari elemen kristal piezoelektrik dan massa yang dipasang pada dasar penyokong. Saat dasar penyokong bergerak, massa  memberikan gaya inersia kepada elemen kristal piezoelektrik, menghasilkan sebuah muatan listrik yang proporsional (Gambar 13). Karena gaya tersebut sama dengan massa dikali percepatan, muatan proporsional dengan akselerasi.

Sementara itu, akselerometer pegas-massa bekerja seperti osilator teredam. Akselerometer ini menggunakan pegas berfungsi sebagai elemen pengembang yang mengalami perubahan regangan atau deformasi akibat perpindahan massa saat terjadi akselerasi. Perubahan ini kemudian dikonversi menjadi sinyal listrik yang dapat diukur (Gambar 14).

e. Sensor Temperatur
Temperatur dapat diukur menggunakan beragam sensor. Dalam teknik sipil, sensor yang umum digunakan adalah sensor temperatur tahanan dan sensor kawat bergetar. Sensor temperatur tahanan memanfaatkan fenomena bahwa tahanan listrik dari suatu material berubah seiring perubahan temperatur. Terdapat dua jenis sensor temperatur tahanan yaitu sensor metalik dan termistor.
Sensor metalik terdiri dari kawat platinum murni yang dililitkan sekitar mandrel (misalnya keramik) dan dilindungi kaca atau lapisan pelindung lainnya (Gambar 15). Perubahan tahanan listrik platinum terhadap temperatur bersifat linear. Variasi ini dapat dengan mudah dan akurat diukur dengan memasangkan sensor tersebut pada satu lengan dari rangkaian jembatan Wheatstone.
Termistor bekerja dengan memanfaatkan fenomena perubahan resistansi semikonduktor keramik (Gambar 16 dan 17). Hubungan tahanantemperatur dari termistor bersifat negatif (Negative Temperature Coeffiecient / NTC) dan nonlinear. Termistor ini terbuat dari oksida nikel, kobalt, tembaga, besi dan titanium. Rentang operasi termistor lebih kecil daripada sensor temperatur logam tetapi memiliki rentang operasi lebih kecil.



Sensor temperatur kawat bergetar bekerja seperti pengukur regangan kawat bergetar, memanfaatkan perbedaan koefisien ekspansi linear antara dua logam. Alat tersebut pada dasarnya terdiri dari sebuah kawat yang direntangkan dengan tegangan tinggi dan bersifat magnetik, dengan kedua ujungnya diikatkan kepada logam yang tak sama koefisien ekspansi linearnya. Saat temperatur berubah, tegangan pada kawat juga berubah, mengubah frekuensi getarannya. Data ini kemudian dikonversi menjadi tegangan listrik atau bacaan temperatur (Gambar 18). Sensor ini dibungkus dalam silinder untuk mencegah kontak langsung dengan objek yang diukur.

 

Teknologi Pengukuran Serat Optik dalam MKS Jembatan
Sensor serat optik (Fiber Optic Sensor/FOS) digunakan untuk mengukur regangan dan  temperatur. Dibandingkan alat ukur konvensional, Menurut Pinet dkk. (2007) FOS memiliki beberapa keunggulan yakni,
• Stabilitas, sinyal cahaya dapat dikirim dalam jarak jauh dengan kehilangan transmisi yang sangat rendah, memungkinkan pemantauan jarak jauh.
• Non-konduktif, FOS bebas dari interferensi frekuensi elektromagnetik dan radio yang menghindari gangguan tidak diinginkan.
• Nyaman, FOS dan pengkabelannya sangat kecil dan ringan, sehingga memungkinkan untuk penggunaan permanen di dalam struktur.
Keunggulan tersebut didasarkan pada prinsip dasar serat optik, yang terdiri dari tiga bagian. Inti serat optik yang terbuat dari kaca atau serat optik plastik. Mantel (cladding) biasanya terbuat dari silika yang dicampur fluorida. Pelapis (coating) yang terbuat dari akrilat, yaitu sejenis plastik.
Dalam serat optik, pengiriman cahaya mengikuti Hukum Snellius dan konsep Pemantulan Internal Total. Seperti dalam Gambar 19, saat cahaya
melintasi di dalam inti serat yang memiliki indeks bias (ninti) yang tinggi, kepada bungkus dengan indeks bias (nbungkus) yang lebih rendah, gelombang cahaya seluruhnya memantul kembali dari bungkus menuju daerah inti serat optik; yakni, dengan nilai sudut kritis/sudut batas yang kecil dari inti serat optik yang berindeks bias tinggi, cahaya yang datang dengan sudut yang tidak terlalu besar akan mengalami pemantulan sempurna, sehingga cahaya sebagai sinyal pengukuran sampai di ujung serat optik yang tersambung kepada alat pembaca data.

Sensor serat optik dapat diklasifikasikan, berdasarkan letak modulasi, yaitu sensor intrinsik dan ekstrinsik. Pada sensor intrinsik, sifat dari cahaya, yaitu intensitas, fasa, atau polaritas berubah secara langsung sesuai dengan besaran yang diukur, misalnya regangan atau temperatur. Sementara, pada sensor ekstrinsik, terdapat modulator cahaya yang meneruskan informasi dari variabel yang diukur, sehingga tidak terdapat hubungan langsung antara cahaya dan variabel tersebut. Contoh kecepatan getaran, konsentrasi oksigen dalam darah, jenis bahan kimia, dan sebagainya.

 

Jenis Sensor Serat Optik
Sejumlah sensor serat optik telah dikembangkan berdasarkan modulasi yang berbeda dari sifat teknik pengukuran cahaya. Jenis sensor serat optik yang umum adalah sensor intensitas, sensor spektrometrik, sensor interferometrik dan sensor sebaran Brillouin. Sensor intensitas bekerja didasarkan pada modulasi intensitas cahaya yang berhubungan dengan sensitivitas serat optik terhadap perubahan lingkungan yang mengakibatkan perubahan karakteristik transmisi cahaya (intensitas cahaya). Perubahan tersebut dapat mengetahui perubahan kuantitas fisik (regangan, suhu, tekanan, medan listrik, medan magnet, dsb).
Proses difusi cahaya menjadi dua gelombang paralel oleh pemecah berkas, yakni berkas cahaya referensi dan dan berkas cahaya pengukuran (Gambar 20). Selanjutnya terjadi interferensi antara dua gelombang tersebut dan dihasilkan jumlah pinggiran interferensi yang berbeda. Dengan menghitung pergerakan modenya, perubahan kuantitas fisik dapat diukur.

Jenis selanjutnya, sensor spektrometrik didasarkan kepada penghubungan perubahan panjang gelombang cahaya dengan besaran yang diukur, seperti regangan. Sebagai contoh sensor kisi Bragg (Morey et al. 1989) (Gambar 21).
Dalam sensor serat optik kisi Bragg (Fiber Bragg Grating/FBG), kisi optik (serangkaian pemantul kecil) di dalam serat optik. Kisi ini menentukan panjang gelombang cahaya yang dipantulkan saat pulsa cahaya melewatinya. Jika terjadi regangan, jarak kisi berubah, menyebabkan pergeseran panjang gelombang cahaya yang dipantulkan. Dengan teknik optik dan kalibrasi khusus, perubahan ini dikonversi menjadi nilai regangan yang terukur.

Sensor interferometrik digunakan untuk mengukur besaran fisik dengan memanfaatkan interferensi cahaya dari dua serat mode-tunggal: satu sebagai lengan acuan dan satu lagi sebagai sensor aktual (Gambar 22). Sebuah pengecualian terhadap sensor interferometrik dua-lengan adalah sensor serat-tunggal Fabry-Perot (Claus et al., 1993). Dalam sensor jenis Fabry-Perot, serat dimanipulasi dengan dua pemantul (cermin) sejajar yang tegak-lurus dengan sumbu serat. Interferensi dari sinyal yang dipantulkan diantara kedua cermin membentuk pola interferensi. Pola interferensi yang dibentuk pada ujung keluaran fasa dari sensor secara langsung dikaitkan dengan intensitas medan regangan yang digunakan diantara kedua pemantul.

Seperti sensor FBG, sensor Fabry-Perot hanya mampu mengukur secara terlokalisasi pada jarak yang terbentuk di antara kedua cermin. Sensor Fabry-Perot tidak dapat digabung secara serial, tetapi sensor Fabry-Perot memiliki kapabilitas dinamik dan statik. Sensor Fabry-Perot bersifat dapat diikat, dilas, dan secara mudah ditanam ke dalam banyak material konstruksi, termasuk beton.
Sensor sebaran Brillouin didasarkan kepada penyebaran Brillouin memanfaatkan fenomena cahaya saat melintasi media transparan. Sebagian besar cahaya melintasi dalam arah lurus, tetapi sebagian  kecilnya  disebarkan ke belakang (Gambar 23). Komponen yang berbeda dari cahaya yang tersebar ke belakang dapat diidentifikasi, yakni sensitifitas pergeseran frekuensi Brillouin. Teknik tersebut menggunakan serat optik mode-tunggal rendah-rugi standar yang menawarkan rentang jarak yang sangat panjang dengan kinerja yang unggul dan kompatibilitas terhadap komponen telekomunikasi standar. Dalam teknologi ini, penyebaran Brillouin biasanya distimulasi secara optik yang menimbulkan intensitas mekanisme penyebaran yang sangat besar dan akibatnya diperolehnya rasio sinyalterhadap-gangguan (signal-to-noise ratio) yang lebih baik.
Dari keempat jenis sensor di atas, sensor jenis intensitas bersifat sederhana untuk dibentuk tetapi sensitivitasnya cenderung rendah. Sensor interferometrik menawarkan sensitivitas tertinggi tetapi memerlukan komponen yang cukup rumit. Sensor serat optik yang paling banyak tersedia secara komersial adalah sensor FBG dan sensor Fabry-Perot.

Ke depan, teknologi sensor untuk SMKS jembatan akan terus berkembang dengan berbagai keunggulan. Sistem nirkabel diprediksi semakin dominan seiring dengan peningkatan kapasitas baterai dan miniaturisasi chip elektronik yang lebih hemat daya. Efisiensi energi yang semakin baik akan mendorong adopsi sensorn nirkabel secara luas, menjadikannya lebih andal, praktis, dan efisien dalam pemantauan struktur jembatan. Inovasi ini diharapkan mampu meningkatkan keandalan sistem pemantauan dan memperpanjang umur infrastruktur secara signifikan.