Bab 7 DAYA DUKUNG TANAH Laporan Tugas Akhir (KL-40Z0) Desain Dermaga General Cargo dan Trestle Tipe Deck On Pile di Pulau Kalukalukuang Provinsi Sulawesi Selatan
7.1 Daya Dukung Tanah 7.1.1 Dasar Teori Perhitungan
Salah satu jenis pondasi dalam yang digunakan adalah pondasi tiang pancang. Sistem tiang diasumsikan sebagai pile group untuk mentransfer beban-beban horizontal dan vertikal pada dermaga ke lapisan tanah keras yang lebih dalam agar dapat dicapai daya dukung tanah yang lebih baik. Untuk menahan gaya lateral akibat beban berthing dan mooring kapal juga gaya gempa diasumsikan ditahan oleh tiang miring dan tiang tegak untuk menahannya. 7.1.2
Daya Dukung Aksial Tiang Pancang
Daya dukung pondasi tiang pancang terdiri atas daya dukung ujung (end bearing) dan daya dukung friksi. Dalam laporan tugas akhir ini daya dukung dihitung berdasarkan data N-SPT dengan menggunakan rumus Meyerhof (1976) sebagai berikut : Berdasarkan data N-SPT:
Pult = 2πr ∑ ∆lτ + A p q p
τ
= 0 .2 N
q p = 40 N < 1600 t / m 2 ⎛ N + N2 ⎞ N =⎜ 1 ⎟ 2 ⎝ ⎠ Daya dukung ijin dihitung sebagai berikut :
P(− )all =
Pult SF
dimana : Pult
= daya dukung ultimate (ton)
P(-) all
= daya dukung tekan yang diijinkan(ton)
Ap
= luas penampang tiang (m2)
BAB 7 DAYA DUKUNG TANAH
7-1
N1
= nilai rata-rata N sepanjang 10D di atas ujung tiang
N2
= nilai rata-rata N sepanjang 4D di bawah ujung tiang
τ
= total friksi pada kedalaman tiang
SF
= faktor keamanan
Perhitungan kapasitas aksial tiang pancang yang digunakan sebagai pondasi dermaga Pulau Kalukalukuang dihitung berdasarkan data tanah hasil survei mekanika tanah di Pulau Kalukalukuang. Berikut ini merupakan perhitungan kapasitas aksial tiang pancang yang digunakan sebagai pondasi dermaga dan trestle di Pulau Kalukalukuang. Data perhitungan : Diameter tiang
=
45,72 cm
Ketebalan dinding
=
1,2 cm
Luas penampang tiang (Ab)
= 1640,9 cm2
Tiang pancang direncanakan dipancang sampai terdapat lapisan tanah keras yaitu pada kedalaman -14 m dari seabed. Langkah –langkah perhitungan daya dukung aksial tiang pancang adalah seperti berikut : 1. Perhitungan N1 Nilai qc rata-rata sepanjang 10D di atas ujung tiang dihitung mulai kedalaman 9.5 meter sampai dengan 14 meter. Berdasarkan hasil N-SPT mulai kedalaman 9.5 meter sampai 14 meter nilai N rata-rata adalah 49. 2. Perhitungan N2 Nilai qc rata-rata sepanjang 4D dari ujung tiang bawah dihitung mulai kedalaman 14 meter sampai dengan kedalaman 16 meter. Berdasarkan hasil N-SPT mulai kedalaman 14 meter sampai 16 meter nilai N rata-rata adalah 62 . Daya dukung ujung dihitung sebagai berikut :
⎛ N + N 2 ⎞ ⎛ π × 0.45722 ⎞ ⎛ 49 + 62 ⎞ Pujung = Ap × 40 ⎜ 1 ⎟ × 40 ⎜ ⎟=⎜ 2 4 2 ⎟⎠ ⎝ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ Pujung = 364, 28 ton 3. Perhitungan daya dukung friksi Data-data yang digunakan dalam perhitungan daya dukung friksi dapat dilihat pada Tabel 7.1 berikut ini.
BAB 7 DAYA DUKUNG TANAH
7-2
Tabel 7.1 Input perhitungan daya dukung friksi Kedalaman (m) 0-2 2-4 4-6 6-8 8-10 10-12 12-14
∆l (m)
N-SPT
2 2 2 2 2 2 2
13 14 16 29 36 49 62
τ = 0.2N 2.6 2.8 3.2 5.8 7.2 9.8 12.4
Pfriksi = 2πr ∑ ∆lτ
Pfriksi = 2π ( 0, 5 × 0, 4572 ) ⎡⎣ 2 ( 2, 6 + 2,8 + 3, 2 + 5,8 + 7, 2 + 9,8 + 12, 4 ) ⎤⎦ Pfriksi = 125,8 ton
4. Perhitungan P ultimate P ultimate dihitung berdasarkan rumus berikut ini :
Pult = Pujung + Pfriksi Pult = 364, 28 + 125,8 Pult = 490, 08 ton 5. Perhitungan P ijin
Pult ;SF = 2, 5 SF 490, 08 = 2, 5 = 196, 032 ton
Pijin = Pijin Pijin
6. Pengecekan Tiang Pancang Dermaga Berdasarkan hasil analisis struktur menggunakan SAP2000 didapat nilai reaksi perletakan pada arah vertikal maksimum di struktur dermaga sebesar 121,37 ton. Sedangkan berat tiang pancang sepanjang 21,72 meter (didapat dari panjang total) adalah sebagai berikut : Perhitungan berat pile : W = γ
Baja
× Volume
Tiang Baja
⎛ π(0,45722 -0,43322 ⎞ ⎟ m 2 ×21,72 m W=7,85 ton/m3 ×⎜ ⎜ ⎟ 4 ⎝ ⎠ W = 2, 86 ton
Total beban pada tiang pancang adalah (PTotal) = 121, 37 + 2, 86 = 124, 23 ton
BAB 7 DAYA DUKUNG TANAH
7-3
Nilai ini merupakan penjumlahan dari reaksi perletakan arah vertikal dengan berat tiang pancang sendiri. Untuk pengecekan apakah kapasitas tiang pancang sesungguhnya tidak melebihi P ultimate maka dibandingkan antara keduanya sebagai berikut : (PTotal) = 124,32 ton
Pijin
= 196,03 ton
Nilai (PTotal) < Pijin , sehingga pondasi tiang pancang dermaga mampu menahan beban yang bekerja. 7. Pengecekan Tiang Pancang Trestle Berdasarkan hasil analisis struktur menggunakan SAP2000 didapat nilai reaksi perletakan pada arah vertikal maksimum di struktur untuk struktur trestle sebesar 74,24 ton. Sedangkan berat tiang pancang sepanjang 21,42 meter (didapat dari panjang total) adalah sebagai berikut : Perhitungan berat pile : W = γ
Baja
× Volume
Tiang Baja
⎛ π(0,45722 -0,43322 ⎞ ⎟ m 2 ×21,42 m W=7,85 ton/m3 ×⎜ ⎜ ⎟ 4 ⎝ ⎠ W = 2, 82 ton
Total beban pada tiang pancang adalah (PTotal)
= 74, 24 + 2, 82 = 77, 06 ton
Nilai ini merupakan penjumlahan dari reaksi perletakan arah vertikal dengan berat tiang pancang sendiri. Untuk pengecekan apakah kapasitas tiang pancang sesungguhnya tidak melebihi P ultimate maka dibandingkan antara keduanya sebagai berikut : (PTotal) = 77,06 ton
Pijin
= 196,03 ton
Nilai (PTotal) < Pijin , sehingga pondasi tiang pancang trestle mampu menahan beban yang bekerja. 7.1.3
Daya Dukung Lateral Tiang Pancang
Analisis gaya pada tiang yang tejadi akibat beban lateral merupakan permasalahan yang kompleks karena melibatkan interaksi antara elemen bangunan dengan elemen tanah di bawahnya dimana tiang akan mengalami deformasi baik bersifat elastis maupun plastis. Perhitungan daya dukung lateral pada pondasi tiang pancang didasarkan pada kriteria daya dukung izin yang didapat melalui daya dukung batas dengan memperhatikan mekanisme keruntuhan pondasi tiang. Mekanisme keruntuhan pada tiang diklasifikasikan berdasarkan kekakuannya sebagai berikut :
BAB 7 DAYA DUKUNG TANAH
7-4
a.
Mekanisme keruntuhan rotasi pada short pile
b.
Mekanisme keruntuhan translasi pada short pile
c.
Mekanisme keruntuhan fraktur pada long pile
Selain faktor kekakuan tiang, dalam analisis daya dukung lateral pada tiang juga diperhatikan jenis ikatan pada kepala tiang. Jenis ikatan pada kepala tiang dibedakan menjadi dua yaitu freehead dan fixedhead. Iluistrasi jenis ikatan pada tiang dapat dilihat pada Gambar 7.1 berikut ini .
Gambar 7.1 Reaksi tanah dan momen tekuk pada tiang panjang di tanah non-kohesif (Broms) Sumber : Pile Design and Construction Practice, M.J Tomlinson : Hal 231. Untuk perencanaan dermaga dan trestle di Pulau Kalukalukuang, sistem ikatan tiang adalah freehead. Untuk mengetahui jenis tiang termasuk tiang pendek (short pile ) atau tiang panjang (long pile ) dilakukan perhitungan karakteristik panjang sistem tiang (T) sebagai berikut :
T=
5
EI nh
L > 4 = Long Pile T L < 4 = Short Pile T Sumber : Pile Design and Construction Practice, M.J Tomlinson : Hal 224-225.
BAB 7 DAYA DUKUNG TANAH
7-5
Keterangan : T
= karakteristik panjang sistem tiang-tanah (m)
E
= modulus elastisitas tiang (Mpa)
I
= momen inersia tiang (m4)
nh
= modulus variasi (kN/m3) , nilainya tergantung dari jenis tanah ( Tabel 7.2). Tabel 7.2 Nilai nh ( modulus variasi) untuk tanah pasir nh (kN/m3)
Soil Type Dry or Moist Sand
Submerged Sand
Loose :1800-2200 Medium : 5500-7000 Dense : 15000-18000 Loose :1000-1400 Medium : 3500-4500 Dense : 9000-12000
Sumber : Principles of Foundation Engineering, Braja M.Das : Table 8.13 Hal 488 Pada perencanaan pondasi dermaga dan trestle di Pulau Kalukalukuang ini, lapisan tanah dimana tiang akan dipancang adalah pasir ( cohesionless soil) . Perhitungan analisis daya dukung lateral tiang pancang adalah sebagai berikut :
• Data Perhitungan Dimensi Tiang Pancang : Outside Diameter (OD) = 457,2 mm Wall thickness
= 12 mm
Inside Diameter (ID)
= 433,2 mm
fy
= 400x103 kN/m2
E
= 210000 Mpa
Inersia Penampang (I)
I=
π 64
( OD
4
− ID 4 ) = 41591, 23 cm 4
Menghitung Z ( Modulus Penampang)
⎛ π ⎞ 4 4 −4 3 Z =⎜ ⎟ ( OD − ID ) = 1,819 × 10 m ⎝ 32OD ⎠ Data Tanah : C
=0
φ
= 41,55o
γ
= 1,695 t/m3
BAB 7 DAYA DUKUNG TANAH
7-6
Penentuan Jenis Pondasi Tiang
T=
EI = 1, 79 m nh
5
14 = 7,82 > 4 ⎯⎯ → long pile 1, 79
• Perhitungan Daya Dukung Lateral Tanah Perhitungan Mu Dalam perhitungan ini momen ultimate yang dipakai adalah momen ultimate pada penampang.
SF = 2 M u = f y × Z = 400 × 103 kN/m 2 ×1,8194×10-3 m3 M u = 727,75 kN - m Perhitungan Kp ( Koefisien Tekanan Tanah Pasif)
( 2) Kp = tan ( 45 + 41,55 ) 2 Kp = tan 2 45 + φ 2
Kp = 4,94 Perhitungan Daya Dukung Lateral Ultimate (Hu) Untuk tiang dengan jenis ikatan freehead nilai e=0. Rumus perhitungan yang dipakai berdasarkan referensi Pile Design and Construction Practice, M.J Tomlinson : Hal 224-225.
Mu
Hu = e + 0,54
Hu
γ × OD × Kp
727,75
= 0 + 0,54
Hu 16,95 × 0, 4572 × 4,94
Dari iterasi diperoleh Hu = 1120,7 kN Daya Dukung Ijin Lateral
H ijin =
7.2
H u 1120,7 = = 560,35 kN = 56,035 ton SF 2
Fixity Point
Desain dermaga dengan tiang pancang vertikal dapat dibuat dengan menganalisa kerangka rigid dari tiang pancang dan konstruksi atas tanah. Dalam hal ini dapat diasumsikan bahwa tiang-tiang pancang ditetapkan pada 1
β di bawah permukaan
dasar virtual. Ilustrasi fixity point dapat dilihat pada Gambar 7.2 berkut ini.
BAB 7 DAYA DUKUNG TANAH
7-7
Gambar 7.2 Visualisasi fixity point. Adapun persamaan untuk menentukan letak jepitan tiang adalah:
β=
4
kh D 4 EI
Dan fixity point Zr =
1
β
(Sumber: OCDI 1980 Hal 214 dan M.J Tomlinson, Pile Design and Construction Practice; Hal 224). Zr
=
letak jepitan tiang (cm)
Kh
=
koefisien sub grade reaction (kg/cm3) = 0,15 N-SPT permukaan dasar sampai kedalaman sekitar
E
=
modulus elastisitas (kg/cm2)
I
=
momen inersia tiang (cm4)
D
=
diameter tiang pancang (cm)
1
β
.
Perhitungan fixity point diperlukan untuk pemodelan struktur dengan SAP2000, oleh karena itu dipakai data tanah di Pulau Kalukalukuang (Lampiran A) sebagai input perhitungan, berikut ini adalah perhitungan fixity point untuk dermaga beton Pulau Kalukalukuang : Diameter = 45,72 cm E = 2,1 *106 kg/cm2 I = 41612,33 cm4 N-SPT = 13 BAB 7 DAYA DUKUNG TANAH
7-8
Kh = 0,15 * 13 = 1,95 kg /cm3
β=
4
kh D 4 EI
β = 0,003996
Zr =
1
β
Zr = 2,5 m Diambil nilai fixity point sebesar 2,5 meter.
BAB 7 DAYA DUKUNG TANAH
7-9
