KAJIAN KEDALAMAN MINIMUM TIANG PANCANG PADA STRUKTUR DERMAGA DECK ON PILE Arya Anandika1 dan Andojo Wurjanto2 Program Studi Teknik Kelautan Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan, Institut Teknologi Bandung, Jl Ganesha 10 Bandung 40132 1
[email protected] dan
[email protected]
Abstrak: Pada struktur dermaga, beban dominan tidak hanya berasal dari arah vertikal saja. aktifitas kapal pada saat melakukan sandar dan tambat memberikan kontribusi beban arah horizontal yang cukup besar pada struktur dermaga. Dengan adanya beban-beban ini maka panjang pondasi tiang pancang tidak hanya ditentukan oleh daya dukung saja tetapi juga perlu memperhatikan kapasitas lateral yang dapat diterima oleh tiang pancang. Tesis ini mengkaji kebutuhan kedalaman minimum panjang tiang pancang akibat beban vertikal dan horizontal yang bekerja pada struktur dermaga. Suatu prosedur untuk menentukan kedalaman tiang pancang disusun berdasarkan temuan-temuan dalam kajian ini. Studi kasus dilakukan dengan melakukan analisis struktur dermaga deck on pile dengan software elemen hingga SAP 2000. Seluruh beban yang bekerja diperhitungkan dan dijadikan masukan beban pada struktur. Data tanah dengan tipe tanah tidak berkohesi dari tiga lokasi berbeda digunakan sebagai masukan perhitungan panjang titik jepit tiang pancang pada model dermaga. Reaksi yang dihasilkan oleh tiang pancang kemudian digunakan sebagai data masukan untuk perhitungan kedalaman tiang pancang dengan metode-metode yang tersedia. Hasil kajian menunjukkan bahwa simulasi elemen hingga dengan menerapkan panjang titik jepit hasil perhitungan kapasitas lateral pada model struktur, menghasilkan beban lateral yang memberikan panjang titik jepit hampir sama dengan model. Kata kunci: beban lateral, kedalaman minimum, tanah tidak berkohesi, tiang pancang, titik jepit
PENDAHULUAN Struktur dermaga deck on pile merupakan jenis dermaga terbuka dengan lantai dan balok dermaga menumpu pada poer/pilecap yang didukung oleh tiang pancang sebagai pondasi struktur dimana stabilitasnya bergantung pada kapasitas daya dukung dan kapasitas lateral tiang pancang. Pondasi tiang pancang dalam struktur dermaga didesain untuk menerima beban dari berat struktur dermaga, peralatan penanganan kargo, dan beban-beban lateral yang disebabkan oleh kondisi lingkungan (arus, gelombang, gempa) dan operasi kapal (berthing, mooring). Kajian yang dilakukan bertujuan untuk menyusun suatu prosedur dalam menentukan kedalaman tiang pancang tertanam di dalam tanah pada pondasi struktur dermaga tipe deck on pile akibat reaksi yang dihasilkan oleh kombinasi beban operasional dan lingkungan yang bekerja pada arah horizontal dan vertikal di struktur dermaga. Kajian kedalaman minimum pancang ini merupakan bagian dari studi kasus pekerjaan perencanaan struktur dermaga deck on pile untuk kapal kargo curah kering (bulk carrier) berkapasitas 200,000 DWT di Pelabuhan Cigading, Cilegon – Banten. Dermaga ini direncanakan
1
berada pada kedalaman -22.00 mLWS (Lowest Water Spring) dengan elevasi atas struktur pada +4.00 mLWS. Ilustrasi dari struktur dermaga tipe deck on pile yang digunakan dalam studi kasus dapat dilihat pada Gambar 1.
25000 9500
10500
2000
1000
2000
B2
B2
Pilecap Precast 5000x2500x1300
Pile Cap Precast Ø2316mm
Pilecap Precast 4000x2300x700
5213
5213
5213
5213
700
1300
±0.000
Rel Crane
+4000
7001200
Rel Crane
5213
300
3000 1000
2500 500
STOPPER FENDER SUC2000 H
Tiang Pancang Baja D.1016, t= 22 mm Akhir Pemancangan 9500
10500 20000
B
C Baris-1
Baris-2
Baris-3
A Baris-4
Baris-5
Gambar 1 Contoh dermaga deck on pile dengan kombinasi tiang vertikal dan miring. Kondisi tanah yang digunakan dalam analisis diambil dari tiga lokasi berbeda dengan tiga jenis tanah yang berbeda pula. Jenis tanah pertama terdiri dari lapisan tanah pasir dengan kedalaman tanah dari hasil tes pengeboran inti sedalam 25 meter memberikan nilai bacaan NSPT bervariasi antara 18 s.d. 58. Jenis tanah kedua merupakan lapisan tanah jenis pasir dan karang. Data pengeboran inti diambil sampai dengan kedalaman 8.5 meter dengan nilai N-SPT mulai dari 13 s.d. >50. Jenis tanah ketiga merupakan jenis tanah lunak dengan jenis tanah lanau dan lempung sedalam 42 meter. Nilai N-SPT berdasarkan tes pengeboran inti bervariasi antara 2 s.d. 28. Sebelum kajian dilakukan, terlebih dulu dibuat suatu sketsa definisi untuk menggambarkan permasalahan yang akan ditinjau. Sketsa definisi ini dapat dapat dilihat pada Gambar 2.
2
Hw
Hu d
e h
x
L
O (titik jepit)
Gambar 2 Sketsa definisi kedalaman minimum tiang pancang dimana:
Hu : Hw : d : h : e : O : x : L :
gaya lateral pada dermaga yang diteruskan ke tiang; gaya normal pada dermaga yang diteruskan ke tiang; jarak dari pusat beban lateral bekerja ke muka air; kedalaman perairan; jarak dari pusat beban lateral bekerja ke dasar perairan; titik jepit tiang pancang; jarak dari muka tanah ke titik jepit tiang pancang; panjang tiang tertanam.
3
Dari sketsa definisi tersebut, kedalaman tiang pancang yang dimaksud adalah nilai L dan x. L adalah kedalaman tiang pancang di dalam tanah yang mampu menerima beban-beban yang bekerja pada arah lateral, Hu, dan arah aksial, Hw. x adalah panjang tiang pancang di dalam tanah sampai ke titik jepitnya atau fixity point.
METODOLOGI Secara umum, kajian kedalaman minimum tiang pancang dilakukan dengan tiga metode, yaitu analisis struktur dengan simulasi elemen hingga, analisis kapasitas lateral tiang pancang, dan analisis daya dukung tanah terhadap tiang pancang. Analisis struktur dermaga deck on pile dilakukan dengan software elemen hingga SAP 2000. Struktur dermaga pada Gambar 1 dibuat seperti bentuk aslinya dengan memodelkan elemen-elemen dermaga seperti balok, pelat, dan tiang pancang sebagai elemen garis dan shell. Pondasi tiang pancang dimodelkan dengan perletakan jepit pada kedalaman dimana diasumsikan tiang pancang berada pada kondisi terjepit penuh. Diasumsikan tidak ada lapisan tanah yang berada di atas titik jepit. Perhitungan awal panjang titik jepit dilakukan dengan metode OCDI (2002). Kedalaman titik jepit virtual ini dapat dipertimbangkan berada pada kedalaman 1/x di bawah muka tanah. Nilai x sendiri dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut: 1 (1) x= k B h 4 4 EI dimana: k h = sub grade reaction number = 0.15∙NSPT (kg/cm3) B = diameter tiang (cm) E = modulus elastik tiang = 2.141∙106 (kg/cm2) untuk tiang pancang baja = 3.104∙105 (kg/cm2) untuk tiang pancang beton I = momen inersia tiang (cm4) Pengolahan data masukan beban berasal dari faktor-faktor lingkungan yang akan bekerja pada struktur, beban operasional dermaga, beban sandar dan tambat kapal, dan peralatan penanganan kargo. Olah data dilakukan dengan mengikuti metode perhitungan yang telah ada dalam standar lokal dan internasional. Kedalaman minimum tiang pancang ditentukan berdasarkan panjang minimum tiang pancang yang tertanam di dalam tanah berdasarkan hasil analisis lateral dan analisis daya dukung tanah. Analisis lateral tiang pancang dilakukan dengan pendekatan teori tekanan tanah. Metode yang digunakan untuk pendekatan ini adalah metode Prasad dan Chari (1999), dan metode Zhang dkk. (2005) dan metode konvensional (Tsinker, 1986). Sementara untuk daya dukung aksial, analisis dilakukan dengan perhitungan kapasitas daya dukung tanah menggunakan piranti lunak Allpile V7.3B. Setelah seluruh analisis dilakukan, disusun suatu prosedur yang memuat langkah kerja dalam menentukan kedalaman tiang pancang.
4
MULAI Tinjauan Masalah menentukan kedalaman minimum tiang pancang (L)
Tujuan dan Lingkup Kajian Pondasi tiang pancang struktur dermaga deck on pile
Studi Literatur
Pengumpulan Data
Prasad et al (1999)
parameter desain lingkungan operasional kapal dan dermaga data tanah 3 lokasi berbeda
𝑥𝑥 = [−(0.567𝐿𝐿 + 2.7𝑒𝑒) + (5.307𝐿𝐿2 + 7.29𝑒𝑒 2 + 10.541𝑒𝑒𝑒𝑒)0.5 ]/2.1996 𝐻𝐻𝑢𝑢 = 0.24�10(1.3 tan ∅+0.3) �𝛾𝛾𝛾𝛾𝛾𝛾{2.7𝑥𝑥 − 1.7𝐿𝐿}
Liang et al (2004)
𝑥𝑥 = [−(0.567𝐿𝐿 + 2.7𝑒𝑒) + (5.307𝐿𝐿2 + 7.29𝑒𝑒 2 + 10.541𝑒𝑒𝑒𝑒)0.5 ]/2.1996 𝐻𝐻𝑢𝑢 = 0.3�𝜂𝜂𝐾𝐾𝑃𝑃 2 + 𝜉𝜉𝜉𝜉 tan 𝛿𝛿�𝛾𝛾𝛾𝛾𝛾𝛾(2.7𝑥𝑥 − 1.7𝐿𝐿)
Pemodelan Struktur Dermaga
Tsinker (1996)
Pembuatan model elemen hingga struktur dermaga Pengolahan data lingkungan menjadi masukan beban
1 𝐻𝐻𝑢𝑢 (𝑒𝑒 + 𝐿𝐿0 ) − 𝛾𝛾(𝐾𝐾𝑃𝑃 − 𝐾𝐾𝐴𝐴 )𝐾𝐾𝐿𝐿0 3 = 0 6 𝐻𝐻𝑢𝑢 𝑒𝑒 𝐻𝐻 𝑢𝑢 𝐿𝐿0 3 − 6 𝐿𝐿 − 6 =0 𝛾𝛾(𝐾𝐾𝑃𝑃 − 𝐾𝐾𝐴𝐴 )𝐾𝐾 0 𝛾𝛾(𝐾𝐾𝑃𝑃 − 𝐾𝐾𝐴𝐴 )𝐾𝐾
Analisis Daya Dukung dan Beban Lateral Tiang Pancang
Simulasi Model Elemen Hingga - kombinasi beban-beban bekerja - cek syarat kekuatan struktur dermaga
Perhitungan kedalaman minimum tiang pancang
Analisis hasil yang diperoleh Penyusunan Prosedur Perhitungan Kedalaman Tiang Pancang SELESAI
Gambar 3 Bagan alir kajian kedalaman tiang pancang. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil analisis awal menunjukkan panjang titik jepit yang dihitung dengan metode OCDI (2002) dan hasil perhitungan panjang titik jepit berdasarkan beban lateral yang bekerja pada tiang dengan metode Prasad dan Chari (1999), metode Zhang dkk. (2005), dan metode Tsinker (1986), memperlihatkan bahwa metode OCDI (2002) memberikan panjang titik jepit yang lebih pendek dibandingkan dengan ketiga metode lainnya (Tabel 1).
5
Tabel 1 Perbandingan panjang titik jepit model dengan metode OCDI dan panjang titik jepit hasil perhitungan beban lateral No
Data
φ
Tanah I
DT.1
II DT.2
III DT.3
Panjang Titik Jepit (m) OCDI
Prasad dan Chari
Zhang dkk.
Tsinker
max
4.22
9.89
10.71
13.22
rata-rata
4.22
7.88
8.34
11.43
min
4.22
6.23
6.60
10.07
max
3.77
10.19
11.06
13.55
rata-rata
3.77
8.88
9.47
12.35
min
3.77
7.27
7.68
10.98
max
7.25
14.84
16.92
18.96
rata-rata
7.25
13.20
14.66
17.05
min
7.25
11.55
12.52
15.39
Simulasi ulang elemen hingga struktur dermaga kemudian dilakukan dengan mengubah panjang tiang yang dimodelkan dengan menggunakan titik jepit hasil perhitungan beban lateral. Syarat kekuatan struktur diperiksa apakah masih memenuhi syarat deformasinya (SNI 03-17292000) dan rasio tegangan tiang (unity check). Bila tidak terpenuhi maka model struktur perlu dimodifikasi dengan mengubah dimensi tiang yang digunakan dan atau mengubah konfigurasi struktur. Dalam simulasi ulang yang dilakukan, diperoleh bahwa deformasi tiang pancang dan rasio tegangan yang dihasilkan melebihi syarat yang ditentukan. Hal ini diakibatkan oleh bertambahnya panjang tiang pada model yang membuat kekakuan struktur berkurang. Berdasarkan simulasi tersebut, seharusnya dilakukan modifikasi struktur. Namun kajian ini bermaksud untuk melihat panjang titik jepit yang dihasilkan oleh beban lateral yang bekerja pada struktur setelah dilakukan simulasi ulang sehingga hal tersebut tidak dilakukan. Panjang titik jepit hasil perhitungan dengan masukan beban lateral hasil simulasi ulang ternyata memberikan hasil yang hampir sama dengan panjang titik jepit hasil perhitungan dengan masukan beban lateral dari simulasi awal. Perbandingan panjang titik jepit ini dapat dilihat pada Tabel 2. Berdasarkan hasil tersebut, disusunlah suatu prosedur baru yang mengakomodasi temuantemuan dalam kajian ini (Gambar 4).
6
Tabel 2 Perbandingan panjang titik jepit hasil simulasi akhir dan perhitungan No
Data Tanah
I
DT.1
II DT.2
III DT.3
OCDI x (m)
x (m)
awal
lama
baru
lama
baru
lama
baru
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
4.22
9.89
9.88
0.01
10.71
10.69
0.02
13.22
13.18
0.04
4.22
7.88
7.87
0.01
8.34
8.33
0.01
11.43
11.40
0.03
4.22
6.23
6.22
0.01
6.60
6.59
0.01
10.07
10.04
0.03
3.77
10.19
10.16
0.03
11.06
11.03
0.03
13.55
13.49
0.06
3.77
8.88
8.86
0.02
9.47
9.44
0.03
12.35
12.29
0.06
3.77
7.27
7.26
0.01
7.68
7.65
0.03
10.98
10.94
0.04
7.25
14.84
14.82
0.02
16.92
16.90
0.02
18.96
18.90
0.06
7.25
13.20
13.18
0.02
14.66
14.64
0.02
17.05
17.00
0.05
7.25
11.55
11.53
0.02
12.52
12.51
0.01
15.39
15.35
0.04
Prasad dkk. Zhang dkk. Tsinker x (m) (2) - (3) x (m) x (m) (4) - (5) x (m) x (m) (6) - (7)
DAFTAR PUSTAKA CivilTech Software, AllPile Version 7 User’s Manual Volume 1 and 2, CivilTech Software, USA, 2011. The Overseas Coastal Area Development Institute of Japan, Technical Standards and Commentaries for Port and Harbour Facilities in Japan, Daikousha Printing Co., Ltd., Japan, 2002. Prasad, Y. V. S. N., dan Chari, T. R., (1999), Lateral capacity of model rigid piles in cohesionless soils, Soils Found., 39(2), 21–29. Tsinker, George P., Handbook of Port and Harbor Engineering: Geotechnical and Structural Aspect, Chapman & Hall, New York, 1997. Zhang, L., Silva, F., dan Grismala, R., (2005), Ultimate Lateral Resistance to Piles in Cohesionless Soils, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 131(1): 78-83.
7
MULAI
Penentuan Titik Jepit Awal Metode OCDI, 2002
Pemodelan Struktur Dermaga Pembuatan model elemen hingga struktur dermaga Pengolahan data lingkungan menjadi masukan beban Penyusunan kombinasi pembebanan Simulasi model elemen hingga
Cek Syarat Kekuatan Struktur
Ganti konfigurasi tiang pancang
- deformasi < L/200 - Unity Check < 1
Memenuhi syarat kekuatan struktur?
TIDAK
YA
Hitung Panjang Titik Jepit Tiang Pancang Akibat Beban Lateral Prasad et al (1999)
Simulasi Ulang Struktur Dengan Titik Jepit Baru
𝐻𝐻𝑢𝑢 0.24[10(1.3 tan ∅+0.3) ]𝛾𝛾𝛾𝛾 = 2.7 � − 1.7 �
−(0.567𝐿𝐿 + 2.7𝑒𝑒) + (5.307𝐿𝐿2 + 7.29𝑒𝑒 2 + 10.541𝑒𝑒𝑒𝑒)0.5 � 2.1996
2
−(0.567𝐿𝐿 + 2.7𝑒𝑒) + (5.307𝐿𝐿2 + 7.29𝑒𝑒 2 + 10.541𝑒𝑒𝑒𝑒)0.5 � 𝐿𝐿 2.1996
𝑥𝑥 = [−(0.567𝐿𝐿 + 2.7𝑒𝑒) + (5.307𝐿𝐿2 + 7.29𝑒𝑒 2 + 10.541𝑒𝑒𝑒𝑒)0.5 ]/2.1996
Liang et al (2004)
𝐻𝐻𝑢𝑢
0.3�𝜂𝜂𝐾𝐾𝑃𝑃 2 + 𝜉𝜉𝜉𝜉 tan 𝛿𝛿�𝛾𝛾𝛾𝛾 = 2.7 � − 1.7 �
−(0.567𝐿𝐿 + 2.7𝑒𝑒) + (5.307𝐿𝐿2 + 7.29𝑒𝑒 2 + 10.541𝑒𝑒𝑒𝑒)0.5 � 2.1996
2
−(0.567𝐿𝐿 + 2.7𝑒𝑒) + (5.307𝐿𝐿2 + 7.29𝑒𝑒 2 + 10.541𝑒𝑒𝑒𝑒)0.5 � 𝐿𝐿 2.1996
𝑥𝑥 = [−(0.567𝐿𝐿 + 2.7𝑒𝑒) + (5.307𝐿𝐿2 + 7.29𝑒𝑒 2 + 10.541𝑒𝑒𝑒𝑒)0.5 ]/2.1996
Tsinker (1996)
𝐻𝐻𝑢𝑢 𝐻𝐻𝑢𝑢 𝑒𝑒 𝐿𝐿 − 6 =0 𝛾𝛾(𝐾𝐾𝑃𝑃 − 𝐾𝐾𝐴𝐴 )𝐾𝐾 0 𝛾𝛾(𝐾𝐾𝑃𝑃 − 𝐾𝐾𝐴𝐴 )𝐾𝐾 1 3 𝐻𝐻𝑢𝑢 (𝑒𝑒 + 𝐿𝐿0 ) − 𝛾𝛾(𝐾𝐾𝑃𝑃 − 𝐾𝐾𝐴𝐴 )𝐾𝐾𝐿𝐿0 = 0 6
𝐿𝐿0 3 − 6
TIDAK
titik jepit baru − titik jepit lama ≤ 1% titik jepit lama YA
Analisis Daya Dukung Aksial Tiang Kedalaman tiang berdasarkan daya dukung
Penentuan Panjang Tiang Pancang L = max (Llateral, Laksial)
SELESAI
Gambar 4 Bagan alir prosedur penentuan kedalaman tiang pancang. 8
