DESAIN PONDASI MESIN (ROTATING EQUIPMENT FOUNDATION) Rotating equipment (RE), -saya cenderung memakai istilah RE saja diartikel ini untuk lebih spesifik dibanding kata “mesin”-, yang harus diletakkan langsung diatas pondasi beton, banyak macam jenisnya. Dan tiap jenis RE dapat memberikan efek yang harus diperhitungkan dalam mendesain pondasi pendukungnya. Jenis RE yang sering dijumpai dalam plant/kilang Migas/Petrokimia/Refinery misalnya adalah: 1. Kompresor (Reciprocating dan Centrifugal). 2. Turbin (Gas dan Uap/Steam) 3. Pompa (Rotary dan Reciprocating) 4. Genset (biasanya hanya sebagai back up dari system catu daya listrik kilang). Untuk rekayasa keteknikan pondasi RE ini, sebaiknya kita mempersenjatai diri dengan membaca beberapa referensi dari beberapa Code dan Standard internasional misalnya: ASME B 73.1 M, ACI 207.2R, ACI 318 dan ACI 318R, ACI 504, kemudian serial API seperti API STD (610, 611, 612, 613, 616, 617, 618, 672, 674, 676, 677) & API RP 6869. Baik juga ditambah ISO 2631-1 & 2631-2 dan PIP REIE 686 & PIP STC 01015. Sedangkan untuk pemahaman lebih lanjut, silahkan dibuka referensi kepustakaan seperti Design of Structures and Foundations for Vibrating Machines oleh Suresh C Arya, Michael O’Neill & George Pincus, juga Foundation Engineering Handbook oleh Hans F Winterkon & Hsai Yang Fang, plus Foundation Design for Vibration Machines oleh Suresh C Arya, Roland P Drewyer & George Pincus. Sekedar mengingatkan dalam mendesain pondasi untuk RE yang mengeluarkan vibrasi, saya kutipkan pendapat suhu-suhu pondasi (Suresh C Arya, Michael O’Neill dan G Pincus) bahwa pondasi akan mengalami akibat getaran seperti berikut ini: a. Vertical Excitation. b. Horizontal Translation. c. Rocking Exictation. d. Torsional Excitation. e. Coupled Horizontal Translation & Rocking Oscillation. Dengan demikian, seorang design engineer harus mempertimbangkan bahwa bentuk/dimensi dan massa pondasi serta daya dukung tanah harus benar-benar kuat untuk menahan akibat getaran tersebut. Serta memperhitungkan faktor-faktor sekunder seperti kondisi sekeliling, antisipasi lemahnya workmanship dari pekerja lapangan dan lain sebagainya.
Disamping itu, pengertian atas beberapa istilah teknis dan nomenklatur yang juga patut dipahami, seperti: a. High Tuned System (HTS) : adalah suatu sistem pondasi pendukung dimana kisaran frekwensi mesin dibawah frekwensi natural dari sistem secara keseluruhan. b. Low-Tuned System (LTS): adalah suatu sistem pondasi pendukung dimana kisaran frekwensi mesin diatas frekwensi natural dari sistem secara keseluruhan. c. Table Top (TT): Struktur beton bertulang berketinggian untuk menopang/sebagai dudukan RE. d. f(n): Frekwensi natural dari system pondasi mesin dalam satuan Hertz. e. ED: Modulus dinamis elastisitas beton dalam satuan MPa. f. A: Batas ijin maximum getaran amplitude puncak ke puncak (peak to peak). g. Grout: Material bersifat semen atau epoksi (epoxy) yang disediakan untuk keseragaman pondasi pendukung dan sebagai media transfer beban dari instalasi RE diatasnya ke pondasi. Grout diposisikan dibawah base plate/mounting plate/skid dari RE. Dan grout haruslah mempunyai sifat non shrink (tidak berkerut). Menurut saya, atas dasar kepraktisan dan keekonomisan, lebih baik menerapkan azas desain Low-Tuned System (LTS) terutama untuk RE yang mempunyai RPM (revolutions per minute) tinggi. RE dengan RPM tinggi cenderung menghasilkan frekwensi natural yang lebih tinggi dari pada frekwensi natural pondasi beton. Selain daripada itu, LTS memiliki efek vibrasi yang lebih rendah dari HTS. Namun penerapan azas LTS tidak disarankan buat RE yang mempunyai RPM rendah ataupun bervariasi. Untuk kasus seperti ini, azas HTS dianggap lebih baik. Secara umum, rule of thumb jika kita sebagai perencana tidak ada/tidak bisa mendapatkan data analisa dinamis (dynamic analysis) dari RE, sengaja kalimat itu saya tebalkan dan garis bawahi sebagai catatan penting, maka langkah berikut ini bisa kita pergunakan: a. Struktur pendukung atau pondasi untuk RE CENTRIFUGAL yang mengeluarkan output KURANG dari 500 HP (horse power), maka berat pondasi didesain tidak boleh kurang dari 3 (tiga) kali dari berat RE secara keseluruhan. Terkecuali jika ada pemberitahuan lain dari pabrik pembuatnya. b. Sedangkan untuk RE RECIPROCATING yang mengeluarkan output KURANG dari 200 HP, maka berat pondasi didesain tidak boleh kurang dari 5 (lima) kali dari berat RE secara keseluruhan. Terkecuali jika ada pemberitahuan lain dari pabrik pembuatnya. Perbandingan rasio massa 3:1 dan 5:1 ini juga merupakan nilai empiris yang telah lama dipakai perbandingan untuk massa pondasi terhadap massa RE/mesin. Tentu saja nilai perbandingan tersebut bisa kita ubah menjadi lebih kecil dan tentu saja harus dibarengi dengan perhitungan dan bukti terapan dilapangan yang cukup. Dan meskipun pendekatan dengan metode ini merupakan best practice terhadap rule of thumb, sebaiknya pada pendesainan tetap dilakukan analisa dinamis untuk memprediksi perilaku pondasi akibat RE.
Patut dipertimbangkan bahwa untuk penempatan/lokasi pondasi RE haruslah terpisah dari pondasi dan bangunan lain. Dasar pemikirannya adalah massa pondasi RE maupun efek getaran yang dihasilkan akan memberikan stress/tekanan pembebanan terhadap pondasi dan bangunan disampingnya dan ataupun sebaliknya jika tidak ada pemisahan. Berbicara tentang jarak pemisahan pondasi RE terhadap struktur lain disampingnya, saya merekomendasikan lebar ruang antara (space) minimal sebesar 2,5 kali lebar pondasi berukuran terkecil. Nilai ini dianggap sebagai best practice serta karena stress yang diderita tanah dibawah struktur/pondasi lain (pada jarak ruang antara tersebut) tidak akan menimpa tanah dibawah pondasi RE dan sebaliknya. Pada jarak tersebut juga, dapat dihindarkan akibat negative dari transmisi amplitudo getaran yang merugikan lewat tanah disekeliling. Tetapi, jika nilai jarak antar tersebut tidak bisa diterapkan karena keterbatasan ruang, maka diperlukan perhitungan teknis yang dapat memberikan indikasi bahwa transmisi amplitude getaran masih dapat diterima. Bisa juga dipertimbangkan opsi menggunakan softboard (misalnya gabus/Styrofoam atau bahan yang tidak rigid) atau menggunakan lapisan slurry (campuran semen) yang dibuat seperti dinding atau bahkan sheetpiles yang diletakkan diantara pondasi yang berdekatan. Opsi-opsi diatas tergantung dari hasil perhitungan amplitudo getaran dan perilaku tanah. Jadi bijaklah menyikapi semua informasi yang didapat sebelum memutuskan. Jika pondasi RE ini terletak diarea paving/pavement atau disekeliling slab beton, maka perlu pula diberikan isolation joint disekeliling pondasi. Untuk penerapan isolation joint ini disarankan lebar minimum 12 mm dan kedalaman sekitar 20 mm dan material adalah sesuai penggunaan yaitu jenis material untuk expansion joint. Untuk itu, ACI 504R (Guide for Sealing Joints in Concrete Structures) bisa dijadikan rujukan. Dalam menentukan seberapa kedalaman yang layak dari suatu pondasi RE dari muka tanah khususnya untuk pondasi berbentuk blok, ada beberapa pendapat misalnya minimum 50% dari tebal pondasi yang harus tertanam dalam tanah. Ada juga yang berpendapat minimum 80%. Saya pribadi lebih memilih nilai 80 % dengan pertimbangan faktor penambahan keamanan stabilitas pondasi atas getaran yang bakal diterima. Menurut saya, dengan berkedalaman lebih juga akan meningkatkan ketahanan lateral dan rasio-rasio peredam untuk semua mode vibrasi. Menyikapi perihal tentang tanah, perlulah dipahami kaitan pondasi yang kita desain dengan tekanan daya dukung tanah. Untuk pondasi dangkal, meskipun kita sudah mendesain pondasi pendukung sebaik mungkin namun itu semua bakal tidak terpakai jika tanah sebagai pendukung pondasi tidak cukup baik kualitasnya, terutama daya dukung. Untuk itu, diperlukan tindakan uji soil investigation, kecermatan dalam membaca hasilnya, kemudian kecermatan dalam menerapkannya dalam desain. Pemeriksaan terhadap kecukupan kuat tanah dalam kemampuan kapasitas daya dukung statis dan pertimbangan besar penurunan (settlement) perlulah dilakukan.
Termasuk juga efek pembebanan dinamis terhadap tanah dan jika diperlukan, perlakuan lanjutan untuk meningkatkan kapasitas daya dukung dapat saja dilakukan. Banyak metoda yang dipakai, salah satunya seperti metoda dynamic compaction atau dynamic replacement seperti yang telah saya tulis diartikel sebelum ini. Beberapa patokan untuk daya dukung ijin tanah yang dapat dipertimbangkan adalah: a. Untuk system pondasi high-tuned: tekanan daya dukung tanah tidak melebihi 50% dari tekanan daya dukung ijin yang diperbolehkan terhadap beban statis. b. Untuk system pondasi low-tuned: tekanan daya dukung tanah tidak melebihi 75% dari tekanan daya dukung ijin yang diperbolehkan terhadap beban statis. Sebagai catatan, daya dukung ijin (Q all) untuk pondasi RE berat haruslah dikurangi. Hal ini perlu dilakukan untuk menyediakan lebih besar safety factor terhadap kemungkinan penurunan (settlement) akibat getaran. Bagaimana dengan penentuan ketebalan minimum? Disamping kita bisa mendapat masukan pertimbangan atas perbandingan berat dari rasio 3:1 atau 5:1, lebih spesifik dalam menentukan ketebalan pondasi minimum adalah azas: 0.60 + L/30 (dalam satuan meter). Misalnya: Direncanakan panjang (L) pondasi = 1,50 meter maka ketebalan minimum adalah 0.60 + 1,5 m/30 = 0.605 m. Faktor lain yang patut dipertimbangkan adalah jika ada anchor bolt yang harus ditanam kedalam pondasi maka meskipun ketebalan minimum sudah terpenuhi dengan azas diatas, ketebalan harus mengakomodasi panjang anchor bolt tertanam plus ketebalan sekitar minimum 100 mm diatas lapisan tulangan terbawah. Untuk lebar minimum, secara teknis nilai berikut ini dapat dipakai yaitu paling tidak 1,5 kali jarak vertical dari dasar ke garis tengah RE dan tambahkan lebar mimimum dengan area bebas (jarak ke tepi beton) dari base plate/mounting plate/skid RE yaitu 100 mm kesegala arah. Jadi misalnya lebar skid 1000 mm maka lebar pondasi disarankan 1000 mm + 100 mm (kiri) + 100 mm (kanan) = 1200 mm. Mengapa? Hal ini untuk mengantisipasi jika terjadi retak pinggir yang sering terjadi karena kekurang cermatan pekerja lapangan dalam mengkonstruksi pondasi dan jarak 100 mm ini dipandang cukup mengakomodasi sudut tekanan yang tercipta dari skid. Sekarang kita masuk kebagian penulangan dan pembetonan. Penulangan diperlukan untuk menahan gaya-gaya dalam dan momen yang relatif kecil dalam suatu pondasi berbentuk blok disebabkan oleh ukuran pondasi yang masif. Untuk itu, minimum jumlah tulangan yang diperlukan lebih banyak diperlukan untuk mengantisipasi penyusutan dan temperatur beton. Di ACI 318 memang tidak secara spesifik menyebutkan kebutuhan tulangan minimum untuk pondasi blok, tetapi pemakaian nilai 0,0018 (sebagai A min tulangan) dikalikan luasan arah melintang beton dapat dipergunakan sebagai panduan.
Pengecualian terhadap nilai tersebut dapat kita lihat di ACI 207.2R jika ketebalan pondasi ternyata setelah kita hitung melebihi 1,2 meter. Dimana ketebalan tersebut kita perlukan lebih pada faktor kestabilan, kekakuan dan peredaman akibat getaran serta untuk mengakomodasi panjang anchor bolt, maka disarankan tulangan minimum memakai diameter 22 mm dengan jarak maksimum antar tulangan adalah 300 mm (center to center), namun saya lebih menyukai pemakaian jarak tulangan 200 mm. Sedangkan jika kita harus menggunakan pier (pengertian ini beda dengan table top), maka jumlah tulangan minimum yang harus disediakan di pier adalah tidak boleh kurang dari 1% tetapi tidak boleh lebih dari 8% dikalikan luasan potongan melintang beton. Jika mempergunakan pedestal, maka tulangan minimum tidak boleh kurang dari ½%. Untuk pondasi dengan ketebalan minimum 500 mm, maka haruslah disediakan tulangan susut dan penahan temperature beton sesuai ACI 318. Untuk nilai ED dalam menghitung kekakuan beton, kita memakai: ED (dalam satuan MPa) = 6560 x kuat tekan beton berpangkat 0,5 (setengah). Kuat tekan beton disarankan minimum 28 MPa (atau sekitar 4000 psi). Perlu dipahami nilai modulus dinamis elastisitas harus lebih tinggi dari modulus statis. Bagaimana dengan eksentrisitas pondasi dengan RE yang berporos horizontal? Kita tahu bahwa eksentrisitas dapat menimbulkan gaya tidak seimbang yang berujung pada penambahan momen. Untuk itu perlulah kita batasi besaran eksentrisitas tersebut. Alasannya adalah untuk meminimalisasi momen-momen sekunder yang bisa saja secara signifikan mempengaruhi frekwensi natural dari pondasi. Misalnya pondasi dimaksudkan untuk mampu menahan gaya tidak seimbang vertical dimana gaya tidak segaris dengan titik pendukung elastis, yang dimana gaya tersebut menghasilkan tambahan gaya putar (rotation) terhadap vertical displacement. Nah jika kita tidak menetapkan batasan eksentrisitas yang diijinkan maka dikhawatirkan (momen sekunder plus momen utama) akan mengakibatkan 2 jenis frekwensi natural yang mungkin saja secara significant berbeda dengan azas tunggal frekwensi natural dalam satu system pondasi. Ada beberapa batasan yang saya anut dalam menentukan nilai eksentrisitas ijin. Yaitu, untuk eksentrisitas horizontal, tegak lurus terhadap bantalan poros (bearing axis), antara titik pusat garis berat pondasi dan pusat area kontak tanah tidaklah boleh melebihi nilai 0,05 dikalikan lebar pondasi. Sedangkan jika searah/parallel dengan bantalan poros, maka tidak boleh melebihi 0,05 dikalikan panjang pondasi. Jika kita menggunakan pier atau pedestal, maka penerapan nilai tersebut juga harus disesuaikan plus pertimbangan terhadap center of gravity dari RE. Diatas semua itu, saya menyarankan, jika dimungkinkan, sebaiknya hindarilah eksentritas. Sedapat mungkin. Sedikit bahasan tentang rasio rentang frekwensi natural yang diijinkan. Pembatasan rentang frekwensi natural yang diijinkan dalam suatu system pondasi berkaitan dalam upaya menghindari bahaya yang terjadi akibat getaran yang berlebihan. Secara umum, rasio antara frekwensi operasi mesin (f) dengan frekwensi natural dari system pondasi f(n) tidak diharapkan berada pada rentang 0,7 hingga 1,3. Sehingga, untuk frekwensi natural HTS harus berada dibawah nilai 0,7 dan untuk LTS f/f(n)
nilainya harus diatas 1,3. Seperti yang kita ketahui, jika rasio f/f(n) mendekat angka 1, akan terjadi penambahan peningkatan secara cepat terhadap amplitude getaran. Untuk itulah dalam menyediakan factor keamanan terhadap resonansi getaran, kita membatasi rentang frekwensi natural ini. Diluar rentang 0,7 – 1,3 ini, respon dinamis maksimum dari system hanya terbatas sedikit lebih besar dari nilai defleksi statis system pondasi. Meskipun demikian, pembatasan rentang frekwensi natural ini sangat sulit dicapai jika kita mendesain suatu system struktur yang rumit seperti halnya kombinasi kekakuan steel structure dengan sistim pondasi, pondasi untuk RE yang memilik beragam mode kecepatan, pondasi untuk RE yang sangat berat (turbo compressor yang berdimensi luar biasa besar misalnya), maka kita harus menyediakan perhitungan yang lebih rumit (misalnya menghitung maksimum kecepatan getaran dalam fasa dan 180 derajat diluar fasa, penentuan lokasi dimana amplitude getaran yang dominan berada dan lain sebagainya). Jika nanti ada kesempatan, untuk serba serbi frekwensi natural ini akan saya bahas dalam artikel tersendiri. Untuk itu jika kita harus menyediakan suatu platform struktur baja, terutama jika mendesain pondasi RE dengan memakai TT (table top), maka platform tersebut sebaiknya terpisah dengan system pondasi TT. Untuk bagaimana supaya platform dapat bernilai aman dan nyaman bagi pemakai dilapangan, design engineer sebaiknya membaca ISO 2631-1 & ISO 2631-2. Referensi itu membahas tentang bagaimana respon seseorang terhadap getaran bangunan dan kurva berat respon pada kesamaan gangguan terhadap tubuh dan metoda-metoda bagaimana cara mengatasinya. Diluar semua perhitungan teknis diatas kertas, seorang engineer haruslah memiliki “sense of engineering” atau juga disebut “engineering feeling”. “Rasa” ini tidak ada kriteria bakunya namun bisa terbentuk dan terasah jika seorang engineer setia pada kemauan untuk berkarya sesuai bidangnya. “Rasa” ini juga bisa membimbing seorang engineer dalam mendesain suatu konstruksi yang kuat dan aman, tepat sasaran, tidak rumit, mudah dilaksanakan serta hemat biaya. Sedikit cerita tentang engineer copas (copy paste). Suatu ketika karib saya mengirim email, meminta bantuan saya memeriksa pekerjaan desain pondasi RE (generator/genset) yang dikerjakan staffnya. Setelah membaca hitungan desain, belum lagi saya memeriksa hitungan yang dikirimkan tersebut, saya langsung mendapat kesimpulan staff karib saya ini hanya melakukan engineering copas. Sang staff yang mengaku jebolan konsultan engineering, hanya mengganti angka-angka (dari suatu perhitungan pondasi lain) dan memberikan kesimpulan dimensi serta menyebutkan bahwa desain tersebut aman. Aman dari hongkong? Hehehehehe.. Dalam perhitungan tersebut, tidak ada hubungan data teknis dari mesin generator dengan desain pondasi dibawahnya dan ajaibnya dibawah pondasi generator diberikan usulan menggunakan cerucuk dolken kayu untuk meningkatkan daya dukung tanah, yang sayangnya sang staff tidak menuliskan berapa daya dukung tanah yang dihasilkan dengan metoda cerucuk. Sehingga tidak ada perhitungan settlement dan daya dukung yang ditulis hanya imajinasi saja. Sedangkan data teknis generator, yang seharusnya diperhitungkan untuk penentuan system pondasi, tidak dipakai dan hanya untuk pajangan supaya jumlah halaman teknis jadi panjang dan terkesan bagus.
Saya kemudian menganjurkan karib saya untuk meminta staff tersebut mendesain ulang dengan kaidah-kaidah yang benar, desain harus memiliki esensi dan tidak copas. Model copas inilah yang kita harus hindari. Memang tidak sulit mengganti sekedar angka namun itu berarti kita hanya berkemampuan meniru, yang kosong, tak berbobot, tak ada nilainya. Berikut ini saya sajikan contoh perhitungan desain pondasi RE, silahkan dipelajari untuk mengambil intisarinya/esensinya, melakukan trial dan error, sampai kita merasa kita mampu melakukan desain secara mandiri.
