Analisis Daya Dukung Helical Pile Menggunakan Metode Elemen Hingga

Rekaracana Jurnal Online Institut Teknologi Nasional

© Teknik Sipil Itenas | No.x | Vol.xx Januari 2015

Analisis Daya Dukung Helical Pile Menggunakan Metode Elemen Hingga ARYANATA, A.1, HAMDHAN, I.N.2 1

Mahasiswa, Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan Institut Teknologi Nasional 2 Dosen, Teknik Sipil Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan Institut Teknologi Nasional E-mail:[email protected] ABSTRAK

Penelitian dalam menentukan kapasitas daya dukung ultimate pada pondasi helical merupakan masalah yang kompleks. Penting untuk menentukan metode yang cocok digunakan dalam mengestimasi nilai kapasitas daya dukung ultimate pondasi helical. Hal tersebut dapat dilakukan dengan cara membandingkan antara metode analitis (metode cylindrical shear dan metode individual bearing) dengan metode elemen hingga baik pada tanah lempung maupun tanah pasir. Variasi rasio jarak (S/Dh) sebesar 1,0 sampai dengan 3,5 dilakukan dalam analisis daya dukung pondasi helical ini. Hasil perhitungan kapasitas daya dukung tiang helical mununjukkan metode cylindrical shear lebih realistis, karena nilainya mendekati nilai rata-rata daya dukung tiang helical metode elemen hingga. Ini dinyatakan dengan selisih rata-rata persentasenya yang mendekati nilai nol % yaitu 4,371%. Kata kunci : Plaxis, Cylindrical Shear, Individual Bearing, Clay, Pasir. ABSTRACT

Research in determine the ultimate bearing capacity of the helical foundation is a complex problem. It is important to determine the method that is suitable for estimate the value of the ultimate bearing capacity of the foundation helical. This can be done by comparing the analytical method (method cylindrical bearing shear and individual methods) with the finite element method both in clay and sandy soil. Variations distance ratio (S / Dh) of 1,0 to 3,5 is done in the analysis of the carrying capacity of this helical foundation. The calculation results of the bearing capacity at a helical pile shown cylindrical shear method is more realistic, because its value is close to the average value of a helical pile bearing capacity on the finite elemen method. It is express by the average percentage difference approach zero % rate is 4.371%. Keywords : Plaxis, Cylindrical Shear, Individual Bearing, Clay, Sand.

Reka Racana - 1

Aryanata, A., Hamdhan, I.N.

1. PENDAHULUAN Banyaknya jenis pondasi tiang yang ada, memungkinkan penggunaan pondasi tiang pada semua jenis tanah dan semua jenis struktur. Pondasi “Helical Pile” merupakan jenis pondasi yang termasuk pondasi tiang baja. Pada awalnya Helical Pile digunakan untuk memperkuat daya dukung mercusuar dan bangunan pesisir pantai di inggris * (Perko, 2009). Helical Pile pada umumnya terbuat dari tiang baja yang mempunyai helix pada ujung tiangnya atau beberapa helix pada ujung dan tengah tiangnya. Dengan adanya helix membuat kapasitas daya dukung pada Helical Pile lebih besar. Pada perencanaan suatu struktur bangunan yang menggunakan pondasi tiang, penentuan kapasitas daya dukung ultimate pada pondasi merupakan faktor terpenting dalam perencanaan. Oleh sebab itu, perlu dilakukan analisis untuk mengetahui dan menentukan nilai kapasitas daya dukung ultimate pondasi tiang Helical. Ada banyak sekali metode-metode yang dapat digunakan dalam penentuan kapasitas daya dukung tiang Helical, secara analitis metode yang dapat digunakan adalah metode Individual Bearing dan Cylindrical Shear *(Perko, 2009), sedangkan untuk perhitungan numerik menggunakan metode elemen hingga. Pada penelitian ini akan menganalisis daya dukung ultimate tiang Helical dengan metode Individual Bearing, Cylindrical Shear, dan Elemen Hingga. 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Kapasitas daya dukung ujung (Qb) Metode Kapasitas daya dukung ujung (Qb) dimobilasi dibawah tumpukan helix dapat dinyatakan dengan persamaan (1) untuk tanah lempung dan persamaan (2) untuk tanah pasir. Qb = ... (1) Qb = dimana : H = Dh = d = Nc = Cu = * Nq = γ' =

... (2) kedalaman helix di bawah permukaan tanah (m) diameter helix (m) diameter poros tiang (m) faktor kapasitas bearing untuk tanah lempung kuat geser undrained tanah lempung (kPa) Faktor kapasitas bearing untuk tanah pasir Satuan tanah efektif menurunkan berat (kN/m3)

Menurut CFEM 2006 nilai Nc pada tanah lempung diambil 9,0 sedangkan nilai Nq* untuk tanah pasir ditujukan pada Gambar 1. (Winterkorn dan Fang 1975), direkomendasikankan menggunakan vesic (1963).

Reka Racana - 2

Analisis Daya Dukung Helical Pile Menggunakan Metode Elemen Hingga

Gambar 1. Variasi faktor bearing capacity, dari berbagai penulis (Winterkorn dan Fang, 1975)

2.2 Pengaruh Kapasitas Daya Dukung Selimut Tiang (Qs) Kapasitas daya dukung selimut tiang (Qs) untuk tanah pasir dapat dinyatakan dengan persamaan (3). Qs = ... (3) dimana : φ = sudut geser Ks = koefisien tekanan tanah lateral dalam tekan Dimana Heff dapat dinyatakan dengan formula dibawah ini Heff = H1 – Dh

... (4)

dimana : H1 = kedalaman helix paling atas (m) Dh = diameter helix (m)

Mitsch and Clemence (1985) telah merekomendasikan dalam menentukan nilai Ku seperti yang ditunjukan pada Tabel 1 dibawah ini.

Tabel 1. Rekomendasi Nilai Ku untuk Tiang Helical (Mitsch and Clemence, 1985) Sudut geser tanah (φ) 25° 30° 35° 40° 45°

Koefisien tarik (Ku) 0,70 0,90 1,50 2,35 3,20

Untuk beban tekan, nilai untuk koefisien tekan (Ks) dapat dihitung dengan persamaan (5).

Reka Racana - 3


... (5) dimana: = parameter desain gesekan selimut tiang untuk perpindahan tiang di pasir Tabel 2 (CFEM, 2006) δ = sudut geser antara tiang dan tanah, sama dengan 0.6 φ untuk untuk tiang baja di pasir (Kulhawy, 1984) Tabel 2. Parameter Koefisien β Soil type

Cast-in-place pile

Silt Loose sand Medium sand Dense sand Gravel

0,2 0,2 0,3 0,4 0,4

– – – – –

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Driven pile 0,3 0,3 0,6 0,8 0,8

– – – – –

0,5 0,8 1,0 1,2 1,5

(sumber : CFEM, 2006) Untuk tiang helical pada tanah lempung, yang gesekan selimut tiang dimobilisasi dibawah dapat dihitung dengan persamaan (6). Qs =

... (6)

dimana : α = faktor adhesi Nilai faktor adhesi (α), untuk tanah lempung telah ditentukan berdasarkan (CFEM, 2006) yang ditunjukan pada Gambar 2.

Gambar 2. Faktor adhesi untuk tanah lempung (CFEM, 2006) Pada perhitungan kapasitas daya dukung selimut tiang, terdapat nilai jarak antara helix (S/Dh) yang mempengaruhi besarnya nilai kapasitas daya dukung selimut tiang. 2.3 Kapasitas Daya Dukung Silinder (Qc) Pada metode Cylindrical Shear , resistensi gesekan dimobilisasi sepanjang silinder yang dibentuk oleh helix atas menuju helix bawah. Hal ini dapat ditujukan pada persamaan (7) untuk tanah pasir, sedangkan untuk tanah lempung dapat dilihat di persamaan (8). Reka Racana - 4


Qc =

(

) ... (7)

Qc = dimana : Hn = kedalaman helix paling bawah di bawah tanah (m) H1 = kedalaman helix paling atas di bawah tanah (m)

... (8)

2.4 Rasio Jarak (S/Dh) Terdapat dua parameter yang menentukan apakah model tiang tersebut menggunakan metode Cylindrical Shear atau menggunakan metode Individual Bearing yaitu dengan melihat jarak antara helix (S) dan diameter helix (Dh). Menurut CFEM (2006) untuk menentukan nilai jarak antara helix (S) maka diameter helix (Dh) dikalikan dengan rasio jarak dengan diameter helix (S/Dh). Pada metode Cylindrical Shear rasio jarak yang digunakan adalah S/Dh < 3.0 sedangkan pada metode Individual Bearing rasio jarak yang digunakan adalah S/Dh ≥ 3.0. 2.5 Metode Cylindrical Shear Menurut CFEM (2006) metode Cylindrical Shear mempunyai rasio jarak (S/Dh < 3.0) yang dimana metode ini mengasumsikan bahwa kedalaman helix paling atas ke helix paling bawah sebagai daya dukung silinder. Untuk lebih jelasnya terdapat pada Gambar 3.

Gambar 3. Mekanisme pembebanan metode cylindrical shear Metode Cylindrical Shear kapasitas daya dukung ultimate (Qult) merupakan penjumlahan antara kapasitas daya dukung ujung (Qb) ditambah dengan kapasitas daya dukung selimut tiang (Qs) ditambah kapasitas daya dukung silinder (Qc). Untuk lebih jelasnya terdapat pada formula dibawah ini. Qult = Qb + Qs + Qc

Reka Racana - 5

... (9)


Untuk menghitung daya dukung ujung pada helix paling bawah, nilai dari „d‟ dapat dihilangkan dengan asumsi diameter tiang tersebut sama dengan diameter helix. Nilai dari daya dukung helix paling bawah dinyatakan dengan Qb1. Sedangkan helix tengah dan helix atas tidak perlu dihitung daya dukung ujungnya karena diasumsikan sebagai daya dukung silinder. Untuk lebih jelasnya terdapat pada formula dibawah ini. Qult = Qb1 + Qs + Qc

... (10)

2.6 Metode Individual Bearing Menurut CFEM 2006 metode Individual Bearing mempunyai rasio jarak (S/Dh ≥ 3.0) yang dimana metode ini mengasumsikan bahwa setiap helix memiliki daya dukung ujung. Untuk lebih jelasnya terdapat pada Gambar 4.

Gambar 4. Mekanisme pembebanan metode Individual Bearing Metode Individual Bearing kapasitas daya dukung ujung (Qb) merupakan penjumlahan dari banyaknya helix yang digunakan, sehingga semakin banyak jumlah helix semakin besar pula kapasitas daya dukung ujungnya (Qb). Untuk kapasitas daya dukung ultimate (Qult) menggunakan metode Individual Bearing didapatkan dari penjumlahan daya dukung ujung (Qb) ditambah dengan kapasitas daya dukung selimut tiang (Qs). Untuk lebih jelasnya terdapat pada formula dibawah ini. Qult = Qb + Qs

... (11)

Untuk menghitung daya dukung ujung pada helix paling bawah, nilai dari „d‟ dapat dihilangkan dengan asumsi diameter tiang tersebut sama dengan diameter helix. Nilai dari daya dukung helix paling bawah dinyatakan dengan Qb1. Sedangkan nilai pada helix tengah dan atas dinyatakan dalam Qb2. Untuk lebih jelasnya terdapat pada formula dibawah ini. Qult = Qb1 + Qb2 + Qb2 + Qs

Reka Racana - 6

... (12)


2.7 Metode Elemen Hingga Metode elemen hingga (finite element method) adalah suatu metode numerik yang bertujuan untuk memperoleh pemecahan pendekatan dari suatu persamaan diferensial parsial. Software yang dalam proses perhitungannya menggunakan metode elemen hingga adalah PLAXIS. PLAXIS digunakan untuk menganalisis deformasi, stabilitas, dan kapasitas daya dukung tanah pada bidang geoteknik, dimana menggunakan model-model tanah untuk melakukan simulasi terhadap perilaku dari tanah. 3. METODE PENELITIAN 3.1

Metode Penelitian

Metode untuk penelitian ini di perlihatkan pada Gambar 4. Mulai

Pengumpulan Data & Tinjauan Pustaka

Perumusan Masalah

Penentuan Parameter Tanah

Analisis Daya Dukung Tiang Helical

Analitis

Metode Individual Bearing

Numerik

Metode Cylindrical Shear

Metode Finite Element

Pembahasan

Kesimpulan & Saran

Selesai

Gambar 4. Bagan Alir Penelitian 3.2

Pengumpulan Data

Untuk menganalisis daya dukung tiang helical, diperlukan adanya data tiang helical yang akan digunakan dan data tanah di titik yang akan dijadikan sebagai lokasi penanaman pondasi. Data tanah yang digunakan dalam tugas akhir ini dapat dilihat pada Tabel 4 dan data tiang yang digunakan dalam tugas akhir ini dapat dilihat pada Tabel 5. Tabel 4. Data Parameter Tanah Data Tanah 3

ϒunsat (KN/m ) ϒsat (KN/m3) v‟ Cu (KN/m2) Φ (o) Ѱ (o)

Jenis Tanah Lempung 15 16 0,33 35 0 0 Reka Racana - 7

Pasir 20 21 0,33 10 40 30


Tabel 5. Data Parameter Tiang No

H

Dh (helix)

d (shaft)

n Helix

S/Dh

1 2 3 4 5 6 7

10 10 10 10 10 10 10

1 1 1 1 1 1 1

0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5

3 3 3 3 3 3 3

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

4. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 4.1

Hasil Penelitian

Hasil perhitungan kapasitas daya dukung helical pile dengan berbagai metode. Tabel 6. Data Beban Metode Cylindrical Shear pada Tanah Lempung No 1 2 3 4 5 6 7

S/Dh 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Qb (KN) 329,308 329,308 329,308 329,308 329,308 329,308 329,308

Qs (KN) 403,883 348,933 293,983 239,033 184,083 129,133 74,183

Qc (KN) 120,890 230,790 340,690 450,590 560,490 670,390 780,290

Qult (KN) 854,08 909,03 963,98 1018,93 1073,88 1128,83 1183,78

Tabel 7. Data Beban Metode Cylindrical Shear pada Tanah Pasir No 1 2 3 4 5 6 7

S/Dh 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Qb (KN) 5302,283 5302,283 5302,283 5302,283 5302,283 5302,283 5302,283

Qs (KN) 88,532 67,327 49,007 33,571 21,021 11,356 4,576

Qc (KN) 508,408 916,070 1271,800 1575,599 1827,466 2027,402 2175,406

Qult (KN) 5899,223 6285,679 6623,089 6911.453 7150,77 7341,041 7482,265

Tabel 8. Data Beban Metode Individual Bearing pada Tanah Lempung No 1 2 3 4 5 6 7

S/Dh 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Qb1 (KN) 329,308 329,308 329,308 329,308 329,308 329,308 329,308

Qb2 (KN) 246,981 246,981 246,981 246,981 246,981 246,981 246,981

Qs (KN) 403,883 348,933 293,983 239,033 184,083 129,133 74,183

Reka Racana - 8

Qult (KN) 1227,151 1172,201 1117,251 1062,301 1007,351 952,401 897,451


Tabel 9. Data Beban Metode Individual Bearing pada Tanah Pasir No 1 2 3 4 5 6 7

S/Dh 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Qb1 (KN) 5302,283 5302,283 5302,283 5302,283 5302,283 5302,283 5302,283

Qb2 (KN) 3976,712 3976,712 3976,712 3976,712 3976,712 3976,712 3976,712

Qs (KN) 88,532 67,327 49,007 33,571 21,021 11,356 4,576

Qult (KN) 13344,238 13323,033 13304,713 13289,278 13276,728 13267,063 13260,283

Tabel 10. Data Beban Metode Elemen Hingga pada Tanah Lempung No 1 2 3 4 5 6 7

∑Mload (KN/m2) 7002,044 7891,876 8652,050 9378,875 9804,695 9989,219 10078,829

S/Dh 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Qult (KN) 1374,151 1548,781 1697,865 1840,604 1924,171 1960,384 1977,97

Tabel 11. Data Beban Metode Elemen Hingga pada Tanah Pasir No 1 2 3 4 5 6 7

4.2

S/Dh 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

∑Mload (KN/m2) 30278,647 31567,298 32572,058 33627,059 34194,538 34883,091 35907,198

Qult (KN) 5942,18 6195,082 6392,266 6599,31 6710,678 6839,384 7046,788

Pembahasan Hasil Penelitian Tabel 12. Rekapitulasi Hasil Kapasitas Daya Dukung Ultimate (Qult) Jenis Tanah

Tanah Lempung

Tanah Pasir

Metode

S/Dh 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Cylindrical Shear (KN) 854,080 909,030 963,980 1018,930 1073,880 1128,830 1183,780 5899,223 6285,679 6623,089 6911,453 7150,770 7341,041 7482,265

Metode

Individual Bearing (KN) 1227,151 1172,201 1117,251 1062,301 1007,351 952,401 897,451 13344,238 13323,033 13304,713 13289,278 13276,728 13267,063 13260,283

Reka Racana - 9

Metode Elemen Hingga (KN) 1374,151 1548,781 1697,865 1840,604 1924,171 1960,384 1977,970 5942,180 6195,082 6392,266 6599,310 6710,678 6839,384 7046,788


Untuk mengetahui metode yang paling mendekati metode elemen hingga dapat dilihat pada kurva perbandingan kapasitas daya dukung ultimate dengan rasio jarak (S/Dh) atau dilakukan dengan cara mencari selisih persentase. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Tabel 13., Gambar 5., dan Gambar 6. Tabel 13. Selisih Antara Hasil Metode Elemen Hingga dengan Berbagai Metode Jenis Tanah

S/Dh

Tanah Lempung

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Rata-rata 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Tanah Pasir

Rata-rata

Metode Cylindrical Shear (%) 37,847 41,307 43,224 44,642 44,190 42,418 40,152 41,968 0,723 1,462 3,611 4,730 6,558 7,335 6,180 4,371

Metode Individual Bearing (%) 10,697 24,315 34,197 42,285 47,648 51,418 54,628 37,884 124,568 115,058 108,138 101,374 97,845 93,980 88,175 104,163

Seperti yang dapat dilihat pada Tabel 13. diatas, metode yang paling mendekati dengan metode Elemen Hingga adalah metode Cylindrical Shear. Hal itu dapat dilihat dari hasil selisih persentasenya yang mendekati nilai nol %, artinya apabila selisih persentasenya bernilai nol %, maka hasil metode tersebut sama dengan hasil metode Elemen Hingga.

2200 2000 1800

Qult (KN)

1600 1400

Cylindrical Shear

1200 1000

Individual Bearing

800 600 400

Finite Element

200 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

S/Dh

Gambar 5. Kurva perbandingan kapasitas daya dukung pada tanah lempung

Reka Racana - 10


14000 13000 12000

Qult (KN)

11000 10000

Cylindrical Shear

9000 8000

Individual Bearing

7000

Finite Element

6000 5000 4000 0

0.5

1

1.5

2 S/Dh

2.5

3

3.5

4

Gambar 6. Kurva perbandingan kapasitas daya dukung pada tanah pasir Seperti yang dapat dilihat pada Gambar 5. dan Gambar 6., metode cylindrical shear mempunyai tendensi yang sama dengan metode elemen hingga, yaitu semakin besar rasio jarak (S/Dh) maka semakin besar pula daya dukungnya. Sedangkan pada metode individual bearing tendensi yang dihasilkan berbeda, yaitu semakin besar rasio jarak (S/Dh) maka semakin kecil daya dukungnya. 5. KESIMPULAN Berdasarkan analisis yang telah dilakukan maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : a. Metode cylindrical shear mempunyai hasil yang berdekatan dengan hasil metode elemen hingga. b. Hasil analisis daya dukung tanah pasir pada metode cylindrical shear lebih mendekati hasil dari metode Elemen Hingga daripada tanah lempung. c. Untuk Metode cylindrical shear dan metode Elemen Hingga semakin besar rasio jarak (S/Dh), maka semakin besar pula kapasitas daya dukungnya. d. Pada metode individual bearing semakin besar rasio jarak (S/Dh), maka nilai daya dukungnya semakin kecil. e. Nilai kapasitas daya dukung metode cylindrical shear dihasilkan dari penjumlahan nilai daya dukung ujung, daya dukung selimut tiang, dan daya dukung silinder. f. Nilai kapasitas daya dukung pada metode individual bearing dihasilkan dari nilai daya dukung ujung yang berdasarkan jumlah helix lalu jumlahkan dengan nila daya dukung selimut. DAFTAR RUJUKAN Clayton, D. J. (2005) “Basic Helical Screw Pile Design” ECP Torque Anchor Brand of Helical Screw Piles, Texas. Barbour, S.L., Bathurst, R.J., Boone, S., Brachman, R.W.I, Brockbank, B., Diederichs, M., El Naggar, M.H., Fannin., Fredlund, D., Howie., Hutchinson., Konrad, J.M., Leroueil S., Novakowski, K., and Shang. (2006) “Canadian Foundation Engineering Manual” 4th Edition , Canadian Geotechnical Society, Barbara Goulet, Alberta. Reka Racana - 11


Bund, T., (2013) “Numerical Modeling of Single Helical Pile Behavior under Compressive Loading in Sand” Electronic Journal of Geotechnical Engineering, vol 18 pp .4320 – 4336. Perko, H. A. (2009) “Helical Piles: Bearing Capacity.” John Wiley and Sons, Inc, pp 103-149. Rao, N. S. V. K. (2011). “Foundation Design : Theory and Practice.” John Wiley Sons (Asia), Singapore. PLAXIS b.v. (2013), PLAXIS Anniversary Edition, PLAXIS BV, Netherlands. Sego, D. C. and Tappenden Kristen M. (2007). “Predicting The Axial Capacity Of Screw Piles Installed In Canadian Soils” OttawaGeo2007 Journal, pp. 1608 – 1615. Winterkorn, H. F., and Fang, H. Y, Ed. (1975). “Foundation engineering handbook”, Van Nostrand Reinhold Company, New York, 751 pp. Mitsch, M.P., and Clemence, S.P. (1985). “Uplift capacity of anchor foundations in soil”, ASCE, pp. 26-47.

Reka Racana - 12

Analisis Daya Dukung Helical Pile Menggunakan Metode Elemen Hingga

Recommend Documents