6
B A B II DASAR TEORI 2.1. BEBAN PADA STRUKTUR PELABUHAN Beban pada struktur bangunan di pelabuhan sangat berhubungan erat dengan tingkat keamanan yang diinginkan. Faktor keamanan harus diperhitungkan dalam semua segi pekerjaan dimulai dari penyusunan desain, spesifikasi bahan, pelaksanaan keamanan operasional dan keamanan pekerja. Pada penentuan beban yang bekerja pada struktur harus mengacu pada aspek keamanan yang tergolong dalam keamanan desain. Beban yang bekerja pada struktur bangunan di pelabuhan dikelompokkan menjadi beban vertikal dan horisontal. Bedasarkan lokasi struktur beban dibagi dalam 2 kelompok yaitu beban di darat dan beban dari arah laut.
2.1.1. Beban di darat Merupakan pembebanan di sekitar lapangan penumpukan ataupun gudang dan daerah di wilayah apron dermaga, terdiri dari (Gambar 2.1) : 1. Beban vertikal •
Beban mati roda kendaraan di atasnya misalnya crane (P-P’), forklift (F-F’).
•
Beban merata (qo), ditentukan bedasarkan beban muatan yang akan ditimbun per unit luasan atau per m2, secara normal ditentukan sebesar 1 sampai 5 ton/m2.
•
Beban sendiri struktur (W) misal berat paving blok atau berat pondasinya, berat bangunan di atasnya, dll.
2. Beban horisontal •
Tekanan tanah aktif (E1-E2) di samping pondasi.
•
Tekanan air (E3-E4), khususnya pengaruh dari pasang surut.
7
2.1.2. Beban dari arah laut Merupakan akibat dari kapal yang bekerja pada struktur. •
Komponen horisontal dari boulder (H) untuk pengikat kapal yang sedang merapat.
•
Beban tumbukan kapal dengan fender (H’). Besarnya gaya tarik boulder sesuai dengan berat kapal (GRT), sesuai dengan Tabel 2.1.
Tabel 2.1. Gaya tarik pada boulder Gross Tonnage
Gaya Tarik pada Boulder (ton)
200 – 500
10
501 – 1000
15
1001 – 2000
25
2001 – 3000
25
3001 – 5000
35
5001 – 10000
50
10001 – 15000
50
15001 – 20000
50
20001 – 100000
70
Sumber : Diktat Bahan Kuliah Pelabuhan S1
Seabed
+ 0.00 LWS
H'
h1
O
h3
B
W h4
qo (t/m²)
h5
E1
16 m
E2
P'
Gambar 2.1. Tipe-tipe beban yang bekerja pada pondasi Caisson
H
h2
P F
E4
E3
F'
h6 h7
Muka Tanah
8
9
2.2. PENENTUAN TITIK PUTAR MOMEN DI DASAR PONDASI Sebelum melakukan perhitungan momen yang terjadi di dasar pondasi Caisson baik momen penahan atau momen guling maka terlebih dahulu harus menentukan titik putarnya. Penentuan titik putar ini dipengaruhi oleh nilai SPT tanah yang berada di bawah pondasi. Apabila nilai SPT ≥ 50 maka titik putar berada di ujung dasar pondasi (Gambar 2.2), apabila nilai SPT = 0 maka titik putar berada di tengah2 dasar pondasi (Gambar 2.3) dan apabila nilai SPT berada diantara 0 dan 50 atau 0 < x < 50 maka digunakan perbandingan.
NILAI SPT = 0 ( tengah2 pondasi )
Ganbar 2.2. Letak titik putar momen di tengah-tengah pondasi
NILAI SPT > 50 ( ujung pondasi )
Ganbar 2.3. Letak titik putar momen di ujung pondasi
10
2.3. ANALISA DATA TANAH Parameter yang akan dilakukan analisa dari hasil tes penyelidikan tanah adalah N (jumlah pukulan), φ dan γ`sat. Sebagai langkah pertama menganalisa data tanah adalah melakukan pembagian layer tanah bedasarkan jenis tanahnya dan besarnya harga N setelah itu pada setiap layer tersebut dilakukan perhitungan untuk merata-rata harga N. Setelah didapat harga N, dilakukan perhitungan φ dengan menggunakan rumus OSAKI yaitu : φ = (20.N)0.5+ 15 digunakan rumus ini karena menghasilkan nilai paling kecil sehingga didapatkan nilai terkritis bila dibandingkan dengan rumus DUNHAMM : ( 12N)0.5 + 25. Setelah itu dilakukan perhitungan untuk merata-rata harga γd yang didapat dari hasil tes penyelidikan tanah untuk mendapatkan harga γsat. Harga γsat tersebut didapatkan dengan melihat Tabel 2.2. Tabel 2.2. Korelasi parameter-parameter tanah (Biarez-Favre-Simon) Nature des sols
Argiles
sables,graviers, a granulo
molles moyennes
e*
γd
n
wsat
γ sat *
%
g/cm3
g/cm3
lb.cb.ft
0,5
31,25
4,4
0,8
163
1,31
0,6
37,50
3,5
0,78
129,6
1,38
0,7
43,75
2,86
0,74
105,8
1,44
0,8
50,00
2,38
0,7
88,0
1,5
0,9
56,25
2
0,67
74,1
1,57
1,0
62,50
1,7
0,63
63
1,63
1,1
68,75
1,45
0,59
53,9
1,69
1,2
75,00
1,25
0,56
46,3
1,76
1,3
81,25
1,08
0,52
39,9
1,82
1,4
87,50
0,93
0,48
34,4
1,88
1,5
93,75
0,8
0,44
29,6
1,94
100
0,69
0,41
25,5
2,01
1,7
106,25
0,59
0,37
21,8
2,07
1,8
112,50
0,5
0,33
18,5
2,13
etroite etendue 1,6
11
1,9
118,75
0,42
0,3
15,6
2,2
2,0
125
0,35
0,26
13,0
2,26
2,1
131,25
0,29
0,22
10,6
2,32
2,2
137,50
0,23
0,19
8,4
2,39
2,3
143,75
0,17
0,15
6,4
2,45
2,4
150
0,13
0,11
4,63
2,51
2,5
156,25
0,08
0,074
2,96
2,57
2,6
162,50
0,038
0,037
1,42
2,64
2,7
168,75
0
0
0
2,70
2.4. PERHITUNGAN TEKANAN TANAH AKTIF 2.4.1. Prinsip dasar Pada perhitungan kestabilan suatu struktur pondasi ataupun dinding penahan tanah (retaining wall) faktor tekanan tanah aktif maupun pasif sangat mutlak diperhatikan karena tekanan yang diakibatkan oleh tanah serta beban yang bekerja di atasnya (beban surcharge) memiliki nilai yang cukup besar. Secara prinsip besarnya tekanan tanah menurut catatan diktat kuliah teknik pondasi lanjut adalah (Gambar 2.4) : σ’H = Ko . σ’V dimana :
σ’H = tegangan tanah efektif horisontal σ’V = tegangan tanah efektif vertikal ( dalam hal ini
σ’V = {γ .(H − H ')} + {γ '.H '} )
Ko = Koefisien tekanan tanah netral atau dalam kondisi istirahat, Ko max = 1 γ ’ = γ sat - γ w
12
MUKA TANAH
γ MAT
σ' V
γ'
H H'
σ' H Ganbar 2.4. Prinsip dasar perhitungan tekanan tanah
2.4.2. Perhitungan koefisien tekanan tanah •
Koefisien tanah aktif : ⎛π φ ⎞ Ka γ = tg 2 ⎜ − ⎟ ⎝ 4 2⎠
•
π 4
Berlaku untuk : λ=0 β=0 δ= 0
Koefisien tanah pasif : ⎛π φ ⎞ Kp γ = tg 2 ⎜ + ⎟ ⎝ 4 2⎠
•
= 450
π 4
= 450
Koefisien transmisi akibat surcharge vertikal : 1. Ka q =
Kaγ cos(β − λ )
⎡ cos δ − (sin φ . cos ωδ ) − 2.tgφ .ε ⎤ .(e )⎥ 2. Ka q = ⎢ 1 + sin φ ⎣ ⎦ dimana : ε dalam radians ε =
ωδ
1 (ωδ − δ ) − λ 2
sin ωδ =
sin δ sin φ
, 0 < ωδ <
π 2
13
2 3
δ = + φ , untuk tanah aktif 2 3
δ = − φ , untuk tanah pasif
•
Koefisien tekanan tanah akibat kohesi : ⎛ 1 ⎞ Ka c = cot gφ ⎜ − Kaq ⎟ ⎝ cos δ ⎠
penjelasan mengenai notasi selengkapnya dapat dilihat pada Gambar 2.5.
q β P1
λ
δ
Aktif Pasif Ganbar 2.5. Penjelasan notasi Bedasarkan dari teori Boussinesq, untuk mencari harga Ka γ dan Kp γ dapat menggunakan tabel koefisien tekanan tanah aktif dan pasif. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Tabel 2.3. Tabel 2.3. Koefisien tekanan tanah aktif dan pasif untuk β = γ = 0 (Caquot & Kerisel, 1966)
Nilai φ
δ =1 φ
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0,81
0,65
0,53
0,44
0,37
0,31
0,26
0,22
0,185 0,155
0,99
0,98
0,97
0,95
0,93
0,90
0,86
0,80
0,73
0,64
14
Nilai φ 50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
δ 2 = φ 3
0,81
0,66
0,54
0,44
0,36
0,3
0,25
0,2
0,16
0,13
1,08
1,16
1,24
1,33
1,44
1,56
1,68
1,8
1,7
1,6
δ 1 = φ 3
0,82
0,67
0,56
0,45
0,37
0,3
0,25
0,2
0,16
0,13
1,15
1,3
1,49
1,7
1,93
2,20
2,5
2,8
3,2
3,6
δ =0 φ
0,84
0,7
0,59
0,49
0,41
0,33
0,27
0,22
0,17
0,13
1,19
1,42
1,70
2,04
2,46
3,0
3,7
4,6
5,8
7,5
δ 1 =− φ 3
0,88
0,75
0,64
0,52
0,46
0,39
0,32
0,26
0,2
0,16
1,22
1,52
1,89
2,38
3,03
4,02
5,55
8,1
12
19
δ 2 =− φ 3
0,94
0,81
0,72
0,64
0,56
0,48
0,4
0,34
0,27
0,22
1,24
1,59
2,06
2,72
3,61
5,25
8,0
12,8
21
41
δ = −1 φ
1,04
1,06
1,05
1,04
1,02
0,98
0,94
0,88
0,82
0,72
1,26
1,66
2,2
3,04
4,26
6,56
10,7
18,2
35
75
Keterangan : Harga Ka γ pada baris pertama Harga Kp γ pada baris kedua Harga β dan γ adalah 0
2.5. PERHITUNGAN STABILITAS EKSTERNAL Perhitungan stabilitas eksternal pondasi Caisson meliputi kontrol terhadap guling (Overturning), geser (Horizontal Displacement), kelongsoran (Sliding), penurunan (Settlement) dan daya dukung (Bearing Capacity). Output dari perhitungan stabilitas eksternal tersebut berupa Safety Factor (SF). Safety factor (SF) adalah angka keamanan terhadap suatu kontrol stabilitas, dalam hal ini adalah kontrol stabilitas pondasi Caisson terhadap guling, geser, kelongsoran, penurunan dan daya dukung. Pada umunya besarnya angka keamanan adalah > 1,5.
15
Apabila hasil perhitungan didapat SF < 1,5 maka struktur tersebut dapat dikatakan tidak aman, sehingga harus dilakukan suatu perencanaan ulang. Secara prinsip perhitungan stabilitas eksternal adalah sebagai berikut :
P (ton) h2
H (ton) + 0.00 LWS
q0 (t/m2) L
K
Muka Tanah
W
h1
E2
h4
O
E4
h5
B N
E3
E1
h3
Seabed
P' (ton)
16 m
h6 h7
M
G ql
Ganbar 2.6. Gaya-gaya yang bekerja pada pondasi caisson
2.5.1. Perhitungan guling Secara prinsip perhitungan terhadap guling adalah sebagai berikut (Gambar 2.6): SF =
ΣMomenPenahan ≥ 1,5 ΣMomenGuling
SF =
W .h3 + P.h2 ≥ 1,5 H h1 + E1 h4 + E2 h5 + E3h6 + E4 h7
dimana :
W = berat sendiri pondasi caisson (ton) H = beban akibat boulder (ton) P = beban akibat kaki crane (ton) qo = beban surcharge (t/m2) O = titik putar momen E = gaya akibat tekanan tanah aktif (ton)
16
Untuk perhitungan terkritis, beban-beban yang justru memperbesar momen penahan tidak diperhitungkan karena apabila momen penahan semakin besar maka harga safety factor akan semakin besar pula dan struktur akan relatif lebih aman.
2.5.2. Perhitungan geser Seacara prinsip perhitungan terhadap geser adalah sebagai berikut (Gambar 2.6): SF =
G ≥ 1,5 E1 + E2 + E3 + E4 + H
SF =
a.B + W tanψ ≥ 1,5 E1 + E2 + E3 + E4 + H
dimana :
W = berat sendiri pondasi caisson (ton) a = karakteristik adhesi antara tanah dengan abutmen nilai a dianggap = 0 (Terzaghi & Peck) B = lebar pondasi (m)
ψ
= faktor lekatan/hambatan antara tanah dengan pondasi (...o)
H = beban akibat boulder (ton) E = gaya akibat tekanan tanah aktif (ton) Beberapa peneliti (Terzhagi & Peck) mengabaikan unsur adhesi (a=0), tetapi tetap menggunakan unsur ψ sebagai berikut : •
Tanah pondasi dengan butiran besar , tanpa lempung, tanpa lanau................................................. ψ = 300
•
Tanah pondasi berbutir kasar, dengan lanau atau lempung.................................................. ψ = 250
•
Kasus yang lain.................................................................... ψ = 200
2.5.3. Perhitungan daya dukung Secara prinsip perhitungan daya dukung adalah sebagai berikut (Gambar 2.6): SF =
ql ≥3 Σσ
17
B⎞ B B⎞ ⎛ ⎛ ⎜1 − 0,2 ⎟γ '. .Nγ + ⎜1 + 0,2 ⎟C '.N c + γ '.D.N q L⎠ 2 L⎠ ⎝ ≥3 SF = ⎝ (P + W + qo) / A
dimana :
W = berat sendiri pondasi caisson (ton) P = beban akibat kaki crane (ton) qo = beban surcharge (t/m2) B = lebar dasar pondasi (m) L = panjang pondasi (m)
Nγ, Nc dan Nq = koefisien daya dukung, besarnya tergantung dari besarnya harga φ tanah yang berada di dasar pondasi A = luas pondasi (m2) γ’ = γ sat - γ water (t/m3) D = kedalaman pondasi (m) Tabel 2.4. Harga-harga Nc, Nγ, Nq (Caquot & Kerisel)
φ
Nc
Nγ
Nq
0
5,14
0
1,00
5
6,5
0,10
1,60
10
8,4
0,50
2,50
15
11,00
1,40
4,00
20
14,80
3,50
6,40
25
20,70
8,10
10,70
30
30,00
18,10
18,40
35
46,00
41,10
33,30
40
75,30
100,00
64,20
45
134,00
254,00
135,00
18
2.5.4. Perhitungan kelongsoran 2.5.4.1. Metode bishop Metode irisan yang disederhanakan diberikan oleh BISHOP (1955).Metode ini menganggap bahwa gaya-gaya yang bekerja pada sisi-sisi irisan mempunyai resultan nol pada arah vertikal. Secara prinsip metode BISHOP adalah sebagai berikut : i=m
Σ [c'.bi + (wi − ui.bi )tgφ ']
F=
i =1
i=m
1 cos αi (1 + tgαi.tgφ ' / F )
Σ wi.sin αi
≥2
i =1
dimana :
F = faktor aman c’ = kohesi tanah efektif
φ’ = sudut geser dalam tanah bi = lebar irisan ke-i Wi = berat tanah irisan ke-i αi = sudut yang didefinisikan pada Gambar 2.7 ui = tekanan air pori pada irisan ke-i x
O αi
R R i
i+ 1
bi
Wi Gambar 2.7. Metode BISHOP
h
19
O R
αi
i
i+1
bi
i-1 Ti
Wi
Ni
ai Gambar 2.8. Gaya-gaya yang bekerja pada pias-i Metode Bishop lebih disukai karena lintasan longsor kritis yang dihasilkan dari hasil perhitungan mendekati dengan hasil pengamatan di lapangan selain itu metode ini lebih detail dan lebih teliti. 2.5.4.2. Perhitungan program STABLE Pada tugas akhir ini digunakan program STABLE untuk perhitungan stabilitas kelongsoran (sliding) pondasi Caisson. Pada prinsipnya software ini menggunakan metode BISHOP sebagai dasar perhitunganya. Adapun output dari software STABLE ini adalah berupa safety factor dengan 10 lintasan terkritis (the ten most
20
critical surfaces). Software ini termasuk software under dos yaitu software yang penggunaannya dibawah operasi program dos. Untuk menjalankan software ini, langkah-langkah yang dilakukan adalah sebagai berikut : 1. Memasukkan input data tanah dengan memilih prepare slope data pada main menu. Di dalam main menu ini terdapat beberapa menu di antaranya adalah prepare slope data, load data from disk, clear existing data, dos file operations dan stability analysis. Gambar 2.9. 2. Memasukkan koordinat surface (x,y) dan sub surface (x,y) dengan memilih menu profile. Gambar 2.10. 3. Memasukkan data tanah berupa γ, c, dan φ pada menu soil. Gambar 2.11. 4. Memasukkan koordinat muka air tanah pada menu water. Di dalam menu ini juga dibutuhkan parameter γ water. Gambar 2.12. 5. Selanjutnya
memasukkan
besarnya
beban-beban
yang
bekerja
diantaranya beban akibat gempa (earthquake load) dan beban surcharge. Gambar 2.13. 6. Langkah selanjutnya adalah kembali ke main menu dengan menekan tombol escape (esc), lalu masuk pada menu stabiltiy analysis. Gambar 2.14. 7. Ketik nama input dan output file yang dikehendaki (Gambar 2.15.), setelah itu akan muncul gambar sketsa hasil analisa, input data, output data keseluruhan dan output data untuk 10 lintasan terkritis saja. Gambar hasil sketsa ini nantinya akan tersimpan berupa file yang berextension gp1 (*.gp1), gp2 (*.gp2) dan gp3 (*.gp3). Untuk input data dan output data masing-masing akan tersimpan berupa file yang berextension ipt (*.ipt) dan opt (*.opt).
21
Gambar 2.9. Langkah 1
Gambar 2.10. Langkah 2
22
Gambar 2.11. Langkah 3
Gambar 2.12. Langkah 4
23
Gambar 2.13. Langkah 5
Gambar 2.14. Langkah 6
24
Gambar 2.15. Langkah 7
2.5.5. Perhitungan penurunan Pada prinsipnya penurunan (settlement) terbagi atas 2 macam jenis yaitu : 1. Penurunnan Segera (Si), yaitu penurunan yang terjadi dalam waktu segera setelah adanya beban yang bekerja di atas suatu lapisan tanah. 2. Konsolidasi (Sc), yaitu penurunan suatu lapisan tanah akibat adanya beban yang bekerja di atasnya dan proses penurunannya terjadi dalam kurun waktu yang lama misalnya beberapa bulan atau tahun. Besarnya penurunan total (St) adalah : St = Si + Sc St =
⎡ ∆σ ⎤ Cc * H 2 . a . qo . PH log ⎢1 + + ⎥ 1 + eo E ⎣ σo' ⎦
dimana : a
= ½ x lebar dasar Caisson
qo
= Stress atau surcharge (t/m2) yang bekerja dipermukaan tanah dibawah dasar Caisson.
25
PH
= Koefisien karakteristik tanah, tergantung dari β = H/a
dan µ
(koefisien Poisson), yang diperoleh dengan cara grafis. H
= Ketebalan lapisan pasir rata-rata dibawah Caisson (N-SPT < 30)
E
= Elastic modulus (Braja M Das. 1985)
Cc
= Compresion index
eo
= Angka pori awal
∆σ
= Tegangan yang bekerja di atas permukaan tanah
σo’
= Tegangan efektif overbourden
a
qo = t / m2
H
2a = b B substratum
Gambar 2.16. Teori dasar immediate settlement (Biarez dan Giroud)
Tabel 2.5. Harga E dan υ (DAS B.M) Jenis Tanah Pasir Lepas Pasir agak padat Pasir padat Pasir berlanau Lempung lembek Lempung agak kaku Lempung keras
Young Modulus (E) 10350 - 27600 KN /m2 34500 – 69000 KN /m2 1380 – 3450 KN /m2 5865 – 13800 KN /m2
Koef POISSON (υ) 0,2 - 0,4 0,25 - 0,4 0,3 - 0,45 0,2 - 0,4 0,15 - 0,25 0,2 - 0,5 -
26
Gambar 2.17. Metode perhitungan immediate settlement cara grafis dari Giroud
