Kinerja Grup Tiang Yang Menerima Beban Lateral Di Lapisan Lempung: Studi Model Centrifuge Tommy Ilyas 1) Budi S Supandji 2)
Abstrak Sebuah seri percobaan dengan alat centrifuge dilaksanakan dilapisan lempung kaolin yang over consolidated (OC) untuk mengetahui kinerja dari grup tiang yang menerima pembebanan lateral statis. Grup tiang mempunyai denah yang simetris dengan konfigurasi, 2, 2x2, 3x3 dan 4x4 grup tiang dengan jarak antar tiang 3 diameter. Kepala tiang dari bahan alumunium yang masif yang terletak diatas permukaan tanah digunakan untuk mengikat tiang dalam grup. Hasil tes berupa momen lentur tiang, reaksi tanah dan profil lendutan lateral dipresentasikan pada makalah ini. Fenomena shadowing effect terjadi pada tiang lead (front pile) yang menerima momen lentur yang lebih besar dari tiang rear akibat pembebanan lateral yang sama. Juga diperoleh grup efisiensi mengecil dengan bertambahnya jumlah tiang dalam grup Kata-kata kunci : centrifuge, over consolidated, shadowing Abstract A series of centrifuge model tests was conducted to examine the behaviour of laterally loaded pile group in over consolidated kaolin clay. The pile groups have a symmetrical plan layout consisting of 2, 2x2, 3x3 and 4x4 square piles with a center-to-center spacing of three or five pile widths. The piles in a group are connected by a solid aluminum pile cap placed just above the ground level. The test results expressed in terms of bending moment, soil reaction and lateral deflection profiles are presented in this paper. The findings reveal the shadowing effect phenomenon in which the front piles experience larger bending moment than the rear piles under the same applied load. It is also established that the pile group efficiency reduces significantly with increasing number of piles in a group. Keywords: centrifuge, over consolidated, shadowing
1. Pendahuluan Fondasi tiang disamping menahan beban vertikal juga menahan beban horisontal seperti struktur lepas pantai yang menahan beban angin dan beban gelombang, dermaga pelabuhan yang menahan beban horisontal ketika kapal merapat pada dermaga, menara transmisi yang menahan beban angin dan bangunan gedung terutama bangunan bertingkat tinggi yang berada pada daerah gempa yang menahan beban gempa. Semua struktur bangunan tersebut memerlukan kapasitas daya dukung untuk menahan beban lateral atau horisontal. Karena itu pengetahuan mengenai sifat fondasi tiang yang menahan beban lateral menjadi sangat penting bagi geotechnical engineer. Penelitian mengenai grup tiang yang dibebani beban lateral dilapisan pasir dengan 1
Staf Pengajar Jurusan Teknik Sipil FTUI
2)
Guru Besar Jurusan Teknik Sipil FTUI
menggunakan alat centrifuge telah cukup banyak dilakukan oleh peneliti terdahulu seperti Mc Vay et.al, 1994, 1995 dan 1998. Namun masih sedikit penelitian mengenai kinerja grup tiang dilapisan lempung akibat pembebanan lateral. Karena karakteristik lempung sangat berbeda dengan pasir maka sebuah seri pengujian dengan alat centrifuge dilakukan untuk menguji perilaku grup tiang yang dibebani gaya lateral statis dilapisan lempung yang over consolidated. Hasil pengujian dipresentasikan pada makalah ini dengan cukup rinci.
2. Pengaturan (set-up) eksperimen Alat centrifuge yang dipakai dalam studi ini adalah geotechnical centrifuge dari National University of Singapore dengan radius 2m dan beam dengan dua buah swing platform yang berada dikedua sisinya, seperti
terlihat pada Gambar 1. Alat centrifuge ini mempunyai kapasitas 40g-ton dan maksimum percepatan-nya (glevel) 200g. Rincian penggunaan alat ini telah dilaporkan oleh Lee et al.1991. Seluruh test dilaksanakan pada akselerasi 70g. Pada Gambar 2 diperlihatkan model setup yang merupakan satu paket yang kompak. Kontainer yang terbuat dari bahan stainlees steel mempunyai diameter internal 550mm dan tingginya 340mm. Sebuah
pasang yang diproteksi dengan lapisan epoxy tipis. Untuk membuat model tiang alumunium digunakan formula: Em Im = Ep Ip
(1)
dimana Em adalah modulus elastisitas dari model tiang, Im adalah momen inersia dari model tiang, Ep adalah modulus elastisitas dari tiang prototip dan Ip adalah momen inersia dari tiang prototip. Pada studi ini EmIm model tiang 384 kNcm2 dan EpIp prototip 922 kNm2. Panjang model tiang adalah 260 mm dan yang terbenam dalam tanah 210mm. Panjang tiang prototip adalah 18.2m dengan tiang yang terbenam (embedded) 144.7m. Kepala tiang digunakan untuk mengikat tiang sehingga menjadi grup tiang. Untuk membuat model kepala tiang digunakan formula: Em Am = Ep Ap
Gambar 1 Geotechnical centrifuge dari NUS
(2)
dimana Am adalah luas penampang model kepala tiang yang menerima beban lateral dan Ap adalah luas penampang prototip kepala tiang yang menerima beban lateral. Kepala tiang dibuat dengan rancangan khusus dimana tiang diikat secara ketat oleh screw. Kepala tiang berada 50 mm atau 3.5 m pada skala prototip diatas permukaan tanah. Contoh kepala tiang dapat dilihat pada Gambar 3
Gambar 3 Jenis-jenis kepala tiang alumunium
Gambar 2 Paket model kontainer
rangka yang terbuat dari besi dengan dua buah actuator diletakkan diatas kontainer yang kemudian diikat dengan mur-baut. Actuator vertikal berada dibagian tengah atas dari rangka besi dan actuator horisontal diletakkan dibagian kiri bawah dari rangka besi. Pada kontainer juga terdapat kamera yang dihubungkan melalui CCTV keruang kontrol untuk memonitor jalannya percobaan. Dua buah LVDT (linier variable displacement transducer) digunakan untuk mengukur pergerakan atau perpindahan actuator vertikal dan horisontal. Model tiang terbuat dari pipa alumunium berlubang dengan penampang bujur sangkar dengan ukuran sisi 9.53mm dan tebal 1.59mm. Beberapa model tiang diberi instrumentasi strain gauges yang berjumlah sepuluh
Contoh tanah yang digunakan untuk percobaan ini adalah kaolin dari Malaysia yang memiliki properties: unit weight γ = 16 kN/m3, liquid limit LL = 79.8%, plastic limit PL = 35.1%, compression index Cc = 0.55, recompression index Cs = 0.14, dan koefisien permeabilitas k = 2.0 × 10-8 m/s. Untuk mempersiapkan contoh lempung OC (over consolidated) dilakukan dalam dua tahapan. Yang pertama adalah menyiapkan contoh tanah slurry yang mengalami proses konsolidasi pada kondisi 1g. Pemberian beban uniform dilakukan secara bertahap sampai dengan overburden pressure 60 kPa yang memerlukan waktu 6 hari. Tahapan kedua setelah proses konsolidasi dengan 1g selesai contoh tanah direkonsolidasikan secara self weight (berat sendiri) dengan centrifuge pada 70g dan mengizinkan tekanan air pori terdisipasi (excess pore water pressure to dissipate). Proses ini berlangsung hingga tercapai derajat 2
konsolidasi minimal 95% yang memerlukan waktu paling kurang 6 jam bagi alat centrifuge untuk spin-up. Grafik hubungan antara OCR dan kedalaman digambarkan pada Gambar 4. 0
2
4
6
8
10
12
14
16
3. Hasil Pengujian.
0 -2.4 Depth (m)
50mm (350cm skala prototip pada 70g) diatas permukaan tanah dengan mempergunakan actuator horizontal. Beban lateral, lendutan dan pembacaan strain gauges dicatat pada interval yang regular selama uji pembebanan lateral berlangsung.
-4.8
Presentasi hasil pengujian dilaksanakan dengan skala prototip
-7.2
3.1 Tiang tunggal
-9.6
Hubungan antara beban lateral dan lendutan dipresentasikan pada Gambar 6. Profil momen lentur untuk berbagai perpindahan pada kepala tiang disajikan pada Gambar 7.
-12 -14.4 -16.8
400
OCR
300
Setelah konsolidasi dengan berat sendiri selesai centrifuge dihentikan untuk mempersiapkan instalasi (driven) tiang tunggal dan atau grup tiang. Model tiang tunggal atau grup tiang diinstalasi dengan menggunakan actuator vertikal pada kondisi 1g. Konfigurasi grup tiang diperlihatkan pada Gambar 5. 1-pile
2 piles
Load (kN)
Gambar 4 Hubungan antara OCR dan kedalaman
OC clay Single pile
200
100
0 0
10
4 piles
Lead/front
20
30
40
50
Displacement (cm) lead/front
Gambar 6 Hubungan Beban dan perpindahan Rear/trial
rear/trial
Moment (kNm)
Arah beban lateral 9 piles
-4
16 piles lead/front
-2 0
lead/front
500
1000
1500
2000
2500
0
rear
second row
2
third row
fourth row
Arah beban lateral
Depth (m)
second row
4 6 8 10 12
Gambar 5 Konfigurasi grup tiang 14
Tiang yang berwarna gelap adalah tiang yang diberi instrumentasi strain gauges. Setelah proses instalasi grup tiang selesai, centrifuge dispin-up kembali pada akselerasi 70g agar tekanan air pori yang meningkat selama proses instalasi ter-disipasi. Setelah steady condition tercapai uji pembebanan lateral siap dimulai. Pembebanan lateral dilaksanakan dengan memberikan perpindahan pada kepala tiang yang berada
16
.5 width 0.1 width .2 width .3 width .4 width .5 width 0.05 width
Gambar 7 Profil momen lentur
Dari hubungan momen lentur maksimum dan perpindahan kepala tiang dapat diamati momen lentur tiang membesar jika perpindahan kepala tiang juga meningkat. Untuk mengkaji apakah momen lentur juga 3
Gambar 10 Profil Defleksi tiang tunggal
meningkat jika beban lateral meningkat, hubungan beban lateral dan momen lentur digambarkan pada Gambar 8. Respon dari momen lentur maksimum dan beban lateral didapati merupakan hubungan linier.
Pada Gambar 10 dipresentasikan profil defleksi tiang yang diperoleh dari persamaan 4 diatas. 5
250
Lateral load (kN)
0. 1
0
Depth (m)
200 150
0. 1
0. 2
0. 3
0. 4
0. 5
5
100
0.1D 0.2D 0.3D 0.4D 0.5D
10
50 15
Deflection (m)
0 0
1000
2000
3000
Maximum BM(kNm)
Untuk mendapatkan gambaran dari lendutan tiang yang menyeluruh dari kepala tiang sampai ke pile tip (dasar tiang) serta profil soil reaction dilakukan analisis dengan menggunakan linier elastic beam theory dimana soil reaction p merupakan double differentiation dari momen lentur dan lendutan y merupakan double integration dari momen lentur. Formula dapat dituliskan: p
d2 2
(1) (3)
M
dz
⌠ ⎮ ⎮ ⌡
y
⌠ ⎮ ⎮ ⌡
M EI
(2) (4)
dz dz
Persamaan untuk respon momen lentur dijabarkan dari persamaan curve fitting polynomial derajat tujuh. Diperlukan dua kondisi batas (boundary condition) untuk memecahkan persamaan tersebut. Kondisi batas yang pertama adalah perpindahan kepala tiang yang merupakan data hasil dari pengujian dan kondisi batas yang kedua adalah titik nol perpindahan (zero displacement) dekat pile tip yang diperoleh dari profil soil reaction yang tergambar pada Gambar 9.
3.2 Grup tiang: respon beban lateral - perpindahan dan grup efficiency Untuk membandingkan kinerja dari tiang tunggal dan grup tiang yang berbeda dalam ukuran maupun jarak antar tiang, rata-rata beban per-tiang (beban total dibagi dengan jumlah tiang dalam grup) pada perpindahan 400
Lateral load (kN)
Gambar 8 Hubungan Beban lateral dan Momen lentur maksimum dari tiang tunggal
300
200 1pile-OC clay Avg load 2x1 Avg load 2x2 Avg load 3x3 Avg load 4x4
100
0 0
20
40
60
80
100
Displacement (cm)
Gambar 11 Hubungan rata-rata beban lateral dan perpindahan
Depth (m)
100
50
0
5
50
100
150
200
0.1 D 0.2 D 0.3 D 0.4 D 0.5 D
10
15
Soil reaction (kNm) Gambar 9 Profil soil reaction dari tiang tunggal
kepala tiang yang sama dipresentasikan. Pada Gambar 11 ditampilkan hubungan rata-rata beban per-tiang dan perpindahan kepala tiang untuk tiang tunggal, 2x1, 2x2, 3x3 dan 4x4 grup tiang. Dari perbandingan tersebut terlihat grup tiang dengan jumlah tiang dalam grup yang besar menerima perpindahan kepala tiang yang besar pula ketika menerima beban lateral yang sama. Hal ini menunjukkan interaksi grup tiang meningkat jika jumlah tiang dalam grup membesar. Pada kondisi perpindahan kepala tiang relatif kecil dari 0.1D (84mm), tiang tunggal dan grup tiang menahan beban lateral yang hampir sama. Namun pada saat perpindahan kepala tiang membesar, rata-rata beban lateral pada kondisi perpindahan kepala tiang yang sama 4
mengecil sejalan dengan pertambahan jumlah tiang dalam grup. Pada Gambar 12 ditunjukkan hubungan antara rata-rata beban lateral dan perpindahan kepala tiang untuk grup dengan 6 (2x3) tiang dan 9(3x3) tiang dengan jarak antar
Lateral load (kN)
400
300
200
100
OC-1 pile Avg load 2x3 Avg load 3x3
0 0
20
40
60
80
Displacement (cm)
meningkatnya perpindahan kepala tiang seperti contoh untuk 2 tiang dalam grup pada perpindahan 0.1D, grup effisiensi sebesar 92% dan menurun menjadi 89% pada perpindahan sebesar 0.2D dan menurun kembali menjadi 86% ketika perpindahan kepala tiang 0.25D Grup effisiensi untuk 2 dan 4 tiang dalam grup, grup effisiensi adalah 89% dan 83% pada perpindahan kepala tiang 0.2D. Grup effisiensi yang terkecil terjadi pada 4x4 grup tiang dengan besaran 82%, 72% dan 70% untuk perpindahan kepala tiang sebesar 0.1D, 0.2D dan 0.25D. Temuan ini menunjukkan interaksi grup tiang sangat berperan pada grup tiang yang besar. Namun jika jarak antar tiang diperbesar menjadi 5D interaksi grup tiang menjadi kecil pengaruhnya dan grup effisiensi mendekati 100%. Mc Vay et al.,1994,1995, dan Remauld et.al.1998 mendapatkan grup effisiensi 100% untuk grup tiang dilapisan pasir pada jarak antar tiang 8D. Hal ini menunjukkan interaksi grup dilapisan pasir lebih menonjol dibandingkan dengan grup tiang dilapisan lempung.
Gambar 12 Hubungan rata-rata beban lateral dan perpindahan
tiang 5D. Dapat dilihat pada perpindahan kepala tiang lebih kecil dari 0.2D (16.8cm) hampir tidak ada perbedaan antara respon rata-rata beban lateral untuk grup pile dengan tiang tunggal. Namun ketika perpindahan pada kepala tiang lebih besar dari 0.2D terdapat perbedaan yang tidak terlalu signifikan dari respon grup tiang terhadap tiang tunggal. Hal ini menunjukkan pada jarak antar tiang lebih besar dari 5D pengaruh interaksi grup menjadi tidak terlalu signifikan. Effisiensi grup tiang, η, yang digunakan untuk menganalisa derajat dari interaksi grup dapat dituliskan :
η= Hg,y/(Hs,y x n) x 100%
3.3 Grup tiang: profil momen lentur. Profil momen lentur tiang tunggal, 2 tiang, 2x2,3x3 dan 4x4 grup tiang di-plot pada Gambar 13. Momen lentur untuk tiang lead pada grup dengan 2 tiang dan 4 tiang terlihat lebih besar dari rear pile. Brown et al.1988, mendefinisikan fenomena tersebut sebagai shadowing effect dari tiang lead/front terhadap tiang rear/trail. Shadowing effect adalah kecenderungan tiang rear/trial menahan tahanan lateral yang lebih kecil dibandingkan dengan tiang yang berada dimukanya (tiang lead/front). 2500
1-p OC clay Lead 2x1 OC Rear 2x1 OC Lead 2x2 OC Rear 2x2 OC Lead 3x3 OC Lead 4x4 OC
dimana Hg,y adalah total beban lateral dari grup tiang pada saat perpindahan y, Hs,y adalah total beban lateral dari tiang tunggal, dan n adalah jumlah tiang dalam grup. Brown et al. 1988, menyarankan untuk menentukan effisiensi grup tiang pada saat y sama dengan 0.2D. Pada studi ini y ditentukan pada 0.1D, 0.2D dan 0.25D sehingga dapat mencakup perpindahan kepala tiang dengan rentang yang cukup lebar.
Maximum BM (kNm)
(5) 2000 1500 1000 500 0
Tabel 1 Grup effisiensi dari grup tiang # tiang
.1 D
Grup effisiensi .2D 0.25D
1
100%
100%
100%
2
92%
89%
86%
4
90%
83%
80%
9
84%
71%
68%
16
82%
72%
70%
6 (5D)
100%
100%
100%
9 (5D)
96%
96%
95%
Tabel 1 merangkum grup effisiensi pada perpindahan kepala tiang 0.1D, 0.2D dan 0.25D. Untuk grup tiang dengan jarak antar tiang 3D grup effisiensi menurun dengan bertambahnya jumlah tiang dalam grup. Grup effisiensi pada grup tiang juga menurun sejalan dengan
0
10
20
30
40
50
Displacement (cm)
Gambar 13 Hubungan rata-rata beban lateral dan perpindahan
Untuk grup tiang 3x3 dan 4x4 hanya tiang sudut terluar (front corner pile) dari lead/front row yang di-plot pada Gambar 12. Dapat dilihat pada tiang sudut terluar, momen lentur maksimum menurun seiring dengan meningkatnya jumlah tiang dalam grup. Untuk grup tiang 3x3 dan 4x4 perbedaan antara tiang lead/front dan tiang rear cenderung membesar dibandingkan dengan grup dengan 2 tiang maupun 4 tiang .(sebagai contoh perbedaan tiang lead dan rear untuk grup dengan 9 tiang 5
mencapai 60%, pada kasus grup tiang dilapisan NC grup dengan 9 tiang mencapai 30%). Hal ini menunjukkan shadowing effect meningkat dengan membesarnya jumlah tiang dalam grup. Lokasi momen lentur maksimum dari grup tiang berada pada jarak 7D sampai 9.5D dibawah permukaan tanah. Kondisi ini berbeda dengan grup tiang yang berada dilapisan pasir dimana lokasi momen lentur maksimum berada pada jarak 3D samapi 5D dibawah permukaan tanah (Brown et al.1988 dan Remaud et al. 1998). Besaran prosentase momen lentur maksimum dari tiang lead terhadap tiang tunggal pada perpindahan kepala tiang 0.2D adalah sebesar 70% untuk grup dengan 2 dan 4 tiang, sebesar 40% untuk grup dengan 9 dan 16 tiang. Kondisi ini menunjukkan efek shadowing maupun interaksi grup tiang sangat berpengaruh terhadap kinerja dari grup tiang.
4. Kesimpulan Belum banyak studi yang meneliti mengenai perilaku grup tiang akibat pembebanan lateral dilapisan lempung. Pada studi ini sebuah seri dari percobaan uji lateral dengan alat centrifuge dilapisan lempung kaolin telah dilaksanakan. Percobaan mencakup tiang tunggal dan grup tiang mulai dari grup dengan 2 tiang sampai 16 tiang dengan jarak antar tiang 3D dan 5D. Dibawah ini diuraikan kesimpulan yang diperoleh dari studi ini. 1.
Pada rata-rata beban lateral yang sama perpindahan (displacement) pada kepala tiang (pile cap) meningkat sejalan dengan membesarnya jumlah tiang didalam grup.
2.
Grup efisiensi dari grup tiang dengan jarak antar tiang 3D mengecil dengan membesarnya jumlah tiang didalam grup. Namun jika jarak antar tiang diperbesar menjadi 5D interaksi grup tiang menjadi kecil. Untuk perancangan lebih baik digunakan grup tiang dengan jarak antar tiang yang besar dan jumlah tiang dalam grup yang kecil sehingga grup dengan jumlah tiang yang sedikit menahan lebih besar beban lateral.
3.
Pengaruh shadowing dari tiang lead terhadap tiang rear membesar sejalan dengan meningkatnya jumlah tiang didalam grup. Kondisi ini menimbulkan momen lentur yang lebih besar dari tiang lead dibandingkan dengan tiang rear. Hal ini sesuai dengan temuan dari Brown et al. 1988 dan Rollin et al. 1998
4.
Lokasi momen lentur maksimum dari tiang tidak berubah secara berarti dengan peningkatan jumlah tiang didalam grup. Hasil percobaan menunjukkan momen lentur maksimum berada pada 7D sampai 9.5D dari permukaan tanah.
5. Ucapan terimakasih Study ini dilaksanakan atas kerjasama antara National University of Singapore dan Universitas Indonesia. Penulis mengucapkan penghargaan dan terimakasih kepada A.Prof. Dr Leung Chun Fai atas supervisinya serta staf teknisi dari Geotechnical Centrifuge Laboratory NUS yang telah membantu jalannya eksperimen.
6. Referensi Brown, D.A., Morrison, C & Reese, L.C 1988, “Lateral load behaviour of pile group in sand”, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol.125, No.11, pp. 1261- 1276. Lee, F.H., Tan, T S., Leung, C F., Yong, K Y., Karunaratne, G P & Lee, S.L. 1991,”Development of geotechnical centrifuge facility at the National University of Singapore”, Centrifuge 91, Ed. by Ko H Y., and McLean F., AA Balkema Publisher, Rotterdam, Netherlands, pp.11-17. McVay M, Bloomquist D, Vanderlaine D & Clausen J, 1994, “Centrifyge modeling of laterally loaded pile group in sand”, Geotechnical Testing Journal, Vol. 17, No.2, pp.129-137. McVay, M.,Casper, R & Shang T.I 1995, “Lateral response of three-row groups in loose to dense sands at 3D and 5D pile spacing”, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 19, No.1, pp.41-50. McVay, M., Zhang,L., Molnit, T & Lai,P. 1998, “Centrifuge testing of large laterally loaded pile groups in sands”, Journal of Geotechnical and Geoenvironment Engineering, ASCE, pp. 1019-1025. Remaud.D, Garnier.J dan Frank.R, 1998, “Laterally loaded piles in dense sand: Group effects”, Proc. Centrifuge 98, Ed. by Kimura.T, Kusakabe.O,& Takemura.J., A.A Balkema Publishers, Rotterdam, Netherlands, pp. 533-538. Rollins, K.M., Peterson, K.T & Weaver, T.J 1998, “Lateral load behaviour of full scale pile group in clay”, Journal of Geotechnical and Geoenvironment Engineering, ASCE, Vol.124, No.6, pp.468-478.
6
