III.
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian dilakukan selama 3 bulan dari Maret 2012 hingga Mei 2012, bertempat di PT Krakatau Tirta Industri dengan objek observasi Bendungan Krenceng, Cilegon, Provinsi Banten. Bendungan Krenceng terletak di desa Masigit, kecamatan Ciwandan. Bendungan Krenceng mempunyai kapasitas tampung sekitar 5.000.000 m3 pada elevasi muka air normal + 22,50 m. Tinggi bendungan maksimum ± 17 m dari dasar sungai dengan panjang puncak ± 1000 m. Lokasi bendungan dapat dilihat pada Gambar 14.
Gambar 14. Lokasi Bendungan Krenceng, Cilegon, Banten, Jawa Barat.
3.2 Alat dan Bahan
1. 2. 3. 4.
Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian kali ini adalah sebagai berikut: Data sekunder berupa data tanah dan tinggi muka air maksimal pada bendungan Krenceng milik PT. Krakatau Tirta Industri. Komputer Intel (R) Core i5 @2.30 GHz dengan RAM sebesar 4.00 GB DDR3. Program Geo Studio 2007. Program SAP2000.
23
5.
6.
Peraturan yang berlaku di Indonesia terkait dengan struktur bendungan : - Pedoman Konstruksi dan Bangunan Departemen Permukiman dan Prasarana Wilayah tentang Analisis Stabilitas Bendungan Tipe Urugan Akibat Beban Gempa (pd. T-14-2004-A). Peraturan yang berlaku di Indonesia terkait dengan bangunan tahan gempa : a. SNI-1726-2002 b. RSNI-1726-2010
3.3 Metode Penelitian
1. 2.
Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahapan, antara lain: Pengumpulan dan pemilahan data. Proses analisis struktur bendungan dengan program Geo Studio 2007 dan SAP 2000.
3.4 Tahapan Pelaksanaan Penelitian dilakukan melalui dua tahapan, diantaranya adalah tahap pengumpulan data dan tahap analisis. Pengumpulan data dilakukan dengan mengumpulkan data terkait yang akan digunakan pada proses analisis. Data yang dibutuhkan dalam analisis struktur bendungan merupakan data sekunder yang dimiliki oleh PT. Krakatau Tirta Industri. Data tersebut mencakup gambar struktur, data kapasitas waduk dan data material bendungan. Rincian data material pada bendungan dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Data material pada Bendungan Krenceng. Data Tanah
Bendungan
Tanah Dasar
Toe Drain
Jenis Material
Lempung Pasir Lanauan
Tufa Pumis Pasiran
Batu
Satuan Berat (kN/m3)
18,7
24,525
21,582
Kohesi (kPa)
10
10
0
Sudut Geser Dalam
20o
35o
30o
Sumber: Data sekunder dari PT.Krakatau Tirta Industri. Analisis struktur bendungan Krenceng dilakukan menggunakan bantuan dua software analisis struktur yakni Geo Studio 2007 dan SAP2000, adapun untuk bantuan pengolahan data digunakan program Microsoft Excel dan AutoCad 2010. Pada analisis bendungan dengan software Geo-Studio 2007 menggunakan beberapa fitur yang disediakan dalam paket analisis ini, yaitu SLOPE/W (untuk analisis stabilitas bendungan), SIGMA/W (untuk analisis gaya dalam bendungan dan membuat kondisi pore water pressure awal), dan QUAKE/W (untuk analisis stabilitas bendungan dengan penambahan beban gempa). Sedangkan software SAP2000 digunakan untuk membuat respon spektrum gempa
24
berdasarkan SNI-1726-2002 dan RSNI-1726-2010 yang akan diinputkan ke QUAKE/W. Diagram alir tahapan analisis dapat dilihat pada lampiran 1. Berikut adalah tahapan pelaksanaan analisis kestabilan bendungan : 1. Mempelajari site plan, data tanah pada tubuh bendungan dan tanah dasar serta gambar struktur bangunan, sehingga dapat dipilih bagian yang kritis (nilai SPT rendah) untuk dianalisis. 2. Setelah mendapatkan bagian kritis bendungan yang mewakili semua profil bendungan yaitu pada titik P10 (sebelah kiri spillway) dengan nilai SPT pada tubuh bendungan sebesar 9 dan pada tanah dasar 50, P12 (sebelah kanan spillway) dengan nilai SPT pada tubuh bendugan sebesar 9 dan pada tanah dasar 50, dan terakhir P30 dengan nilai SPT pada tubuh bendungan sebesar 6 dan pada tanah dasar 50, dilanjutkan dengan menggambar ulang potongan gambar untuk bagian tersebut menggunakan program Autocad 2010 (hal ini dikarenakan data digital tidak tersedia). 3. Melakukan pemodelan pada program Geo Studio 2007 berdasarkan hasil penggambaran ulang menggunakan program Autocad 2010. 4. Melakukan pemodelan dan analisis stabilitas bendungan pada semua lokasi penelitian menggunakan SLOPE/W pada program Geo-Studio 2007 dengan asumsi tubuh bending terdiri dari tanah homogen tanpa perlindungan batuan, kondisi tinggi muka air yang baru dan tanpa beban gempa. Sebelum dioperasikan harus ada penyesuaian asumsi analisis yang dilakukan. Salah satu asumsi yang cukup penting adalah kondisi Pore Water Pressure (PWP), pada kasus ini kondisi PWP diambil dari hasil analisis SIGMA/W dengan tipe analisis Insitu. Pilihan kondisi awal PWP dipilih dari water table yang diinputkan secara manual dari data sekunder yang ada (Gambar 15).
Gambar 15. Pemilihan kondisi PWP untuk analisis SIGMA/W. Selanjutnya untuk pemilihan material bendungan menggunakan material kategori berdasarkan Total Stress Parameters, sedangkan material modelnya dipilih linear elastic. Hal ini disesuaikan dengan ketersediaan data sekunder (Gambar 16).
25
Gambar 16. Pengaturan material pada SIGMA/W. Untuk analisis menggunakan SIGMA/W perlu dibuat boundary condition untuk menentukan letak reservoir head, potential seepage, daerah zero pressure dan batas analisis untuk sumbu X dan Y (Gambar 17).
Gambar 17. Pengaturan boundary condition pada SIGMA/W. hasil analisis berupa perbedaan warna pada bendungan yang mengindikasikan perbedaan tegangan yang dialami oleh masing-masing bagian bendungan. Setelah analisis SIGMA/W selesai, analisis kestabilan lereng menggunakan SLOPE/W dapat dilanjutkan. 5. Pada analisis SLOPE/W tipe analisis yang dipilih menggunakan metode Bishop, Ordinary dan Janbu (Gambar 18). Tipe analisis Bishop dipilih karena merupakan metode yang sangat populer dalam analisis kestabilan lereng dikarenakan perhitungannya yang sederhana, cepat dan memberikan hasil perhitungan faktor keamanan yang cukup teliti. Kesalahan metode ini apabila dibandingkan dengan metode lainnya yang memenuhi semua kondisi kesetimbangan seperti Metode Spencer atau Metode Kesetimbangan Batas Umum, jarang lebih besar dari 5%. Metode ini
26
sangat cocok digunakan untuk pencarian secara otomatis bidang runtuh kritis yang berbentuk busur lingkaran untuk mencari faktor keamanan minimum.
Gambar 18. Pemilihan tipe analisis pada SLOPE/W. Pengaturan kondisi Pore Water Pressure (PWP) diambil dari hasil analisis Geo Studio lainnya, dan dipilih analisis SIGMA/W dengan tipe analisis insitu (Gambar 19).
Gambar 19. Pengaturan kondisi PWP awal pada SLOPE/W.
27
Untuk pendugaan bidang longsor dilakukan penyesuaian arah pergerakan dari kanan ke kiri (sesuai dengan asumsi diawal) dengan menggunakan metode Grid and Radius (Gambar 20).
Gambar 20. Pengaturan analisis bidang runtuh pada SLOPE/W. Selanjutnya untuk pemilihan material bendungan menggunakan asumsi model material dengan model Mohr – Coulomb (Gambar 21), hal ini disesuaikan dengan ketersediaan data sekunder.
Gambar 21. Pengaturan material model pada SLOPE/W.
28
Nama material disesuaikan dengan tempat material itu digunakan dan dibedakan juga berdasarkan warna (Gambar 22). Selanjutnya data tanah dimasukan sesuai dengan data yang tersedia.
Gambar 22. Pengaturan input data tanah pada SLOPE/W. 6. Setelah semua parameter dipenuhi maka hasil analisis kestabilan lereng menggunakan SLOPE/W dapat dilihat melalui Contour. Hasil analisis yang dilihat berupa pendugaan bidang runtuh pada bendungan dan safety factor-nya. 7. Analisis kestabilan lereng dengan penambahan beban gempa. Analisis tetap menggunakan SLOPE/W sebagai parent analysis (analisis induk), akan tetapi karena fitur ini tidak mengakomodasi untuk analisis displacement akibat beban gempa, maka digunakan fitur tambahan yakni QUAKE/W sebagai sub analisis untuk menganalisa gaya, kondisi pore water pressure dan displacement bendungan setelah diberikan beban gempa. Untuk analisis gempa dengan QUAKE/W digunakan dua analisis ,yakni analisis statik dan dinamik. Analisis statik yang dilakukan mengacu pada SNI-1726-2002 , RSNI-1726-2010 dan Pd T-14-2004-A (periode ulang 50 dan 100 tahun). Sedangkan untuk analisis dinamik mengacu pada SNI-1726-2002 dan RSNI-1726-2010. Walaupun sama-sama menggunakan QUAKE/W dalam analisisnya,perbedaan analisis statik dan dinamik pada GeoStudio 2007 terletak pada pemilihan tipe analisisnya. Analisis statik menggunakan Initial Static sedangkan analisis dinamik menggunakan Equivalent Linear Dynamic. Selain itu yang membedakan antara dua analisis ini adalah pengaturan waktu. Pada analisis statik, pengaturan waktu tidak bisa diubah (0 detik). Pada analisis dinamik pengaturan waktu diatur durasinya selama 10 detik. Analisis dimulai terlebih dahulu dengan menghitung percepatan gempa yang akan diberikan ke dalam pemodelan QUAKE/W sesuai dengan masing-masing peraturan gempa, setelah mendapatkan percepatan gempa yang sesuai dengan parameter lokasi penelitian, analisis dilanjutkan dengan memasukan nilai percepatan gempa ke dalam pemodelan. 8. Membuat respon spektrum dan analisis percepatan gempa maksimum menggunakan program SAP2000 berdasarkan SNI-1726-2002. Nilai percepatan gempa didapat dengan menggunakan peta
29
gempa pada SNI-1726-2002. Kota Cilegon sebagai kota lokasi penelitian terlebih dahulu diidentifikasi masuk ke dalam wilayah gempa yang mana. Sesuai dengan peta gempa, kota Cilegon masuk ke dalam wilayah 4 (Gambar 23). Setelah itu,dengan bantuan software SAP2000 dibuat respon spektrum percepatan gempa untuk wilayah kota Cilegon (Gambar 24a). Karena SNI-17262002 mengacu pada UBC 97 maka metode pembuatan respon spektrum juga disesuaikan berdasarkan acuan yang sama. Untuk membuat respon spektrum berdasarkan UBC 97 dibutuhkan nilai Ca dan Cv. Nilai Ca dan Cv diperoleh berdasarkan respon spektrum rencana untuk wilayah 4 yang ada pada SNI-1726-2002 (Gambar 24b).
Gambar 23. Peta zonasi gempa pada SNI-1726-2002 untuk periode ulang 500 tahun.
(a)
30
(b) Gambar 24. (a) Respon spektrum Kota Cilegon yang mengacu pada SNI-1726-2002. (b) Respon spektrum rencana untuk wilayah 4 yang ada pada SNI-1726-2002. Setelah nilai Ca dan Cv diinputkan,dapat diperoleh percepatan gempa yang sesuai. Respon spektrum yang diperoleh dari program SAP2000 tidak dapat langsung dimasukkan ke dalam Geo Studio. Format percepatan gempa yang dapat diinputkan ke dalam Geo Studio harus dalam format notepad (.acc) maka nilai periode dan acceleration dari SAP2000 harus dituliskan dalam format seperti pada Gambar 25.
Gambar 25. Format data gempa untuk Geo Studio. File ini disimpan dengan nama datagempa2002.acc ,yang nantinya pada saat pengoperasian QUAKE/W untuk Key In Earthquake Record, file ini yang akan dipakai untuk analisis gempa berdasarkan SNI-1726-2002. 9. Membuat respon spektrum dan analisis percepatan gempa maksimum menggunakan program SAP2000 berdasarkan RSNI-1726-2010. Nilai percepatan gempa didapat dengan menggunakan peta gempa pada RSNI-1726-2010. Kota Cilegon sebagai kota lokasi penelitian terlebih dahulu diidentifikasi masuk ke dalam wilayah gempa yang mana. Pada peta pertama (Gambar 26) yakni peta Ss, Gempa Maksimum yang Dipertimbangkan Risiko-Tersesuaikan (MCER), Paramater Gerak
31
Tanah, untuk Percepatan Respons Spektral 0,2 detik, dalam g, (5 persen redaman kritis), Kelas Situs SB, kota Cilegon mempunyai nilai Ss sebesar 0,75 g.
Gambar 26. Ss, Gempa Maksimum yang Dipertimbangkan Risiko-Tersesuaikan (MCER), Paramater Gerak Tanah, untuk Percepatan Respons Spektral 0,2 detik, dalam g, (5 persen redaman kritis), Kelas Situs SB Sedangkan untuk peta kedua (Gambar 27) yakni peta S1, Gempa Maksimum yang Dipertimbangkan Risiko-Tersesuaikan (MCER), Paramater Gerak Tanah, untuk Percepatan Respons Spektral 1 detik, dalam g, (5 persen redaman kritis), Kelas Situs SB, kota Cilegon mempunyau nilai S1 sebesar 0,35 g. Setelah itu,dengan bantuan software SAP2000 dibuat respon spektrum percepatan gempa untuk wilayah kota Cilegon (Gambar 28). Karena RSNI-1726-2010 mengacu pada IBC maka metode pembuatan respon spektrum juga disesuaikan berdasarkan acuan yang sama. Untuk membuat respon spektrum berdasarkan IBC dibutuhkan nilai S s , S1 , periode , dan site class. Nilai Ss dan S1 sudah diperoleh dari peta gempa, periode 10 detik dan site class berdasarkan RSNI-1726-2010 untuk wilayah Cilegon dengan nilai SPT tanah dasar sebesar 50 maka masuk ke dalam site class D. Setelah semua asumsi selesai maka respon spektrum bisa diperoleh. Berdasarkan respon spektrum, diperoleh nilai percepatan gempa yang sesuai. Respon spektrum yang diperoleh dari program SAP2000 tidak dapat langsung dimasukan ke dalam Geo Studio. Format percepatan gempa yang dapat dimasukan ke dalam Geo Studio harus dalam format notepad (.acc) maka nilai periode dan acceleration dari SAP2000 harus dituliskan dalam format seperti pada Gambar 29. File ini disimpan dengan nama datagempa2010.acc ,yang nantinya pada saat pengoperasian QUAKE/W untuk Key In Earthquake Record. File ini yang akan dipakai untuk analisis gempa berdasarkan RSNI-1726-2010.
32
Gambar 27. S1, Gempa Maksimum yang Dipertimbangkan Risiko-Tersesuaikan (MCER), Paramater Gerak Tanah, untuk Percepatan Respons Spektral 1 detik, dalam g, (5 persen redaman kritis), Kelas Situs SB
Gambar 28. Respon spektrum Kota Cilegon yang mengacu pada RSNI-1726-2010.
Gambar 29. Format data gempa untuk Geo Studio.
33
10. Menghitung percepatan gempa maksimum berdasarkan Pd T-14-2004-A. Untuk mendapatkan nilai percepatan gempa berdasarkan Pd T-14-2004-A digunakan rumus sebagai berikut:
ad = Z x ac x v
(20)
keterangan: ad adalah percepatan gempa maksimum yang terkoreksi di permukaan tanah (gal) ac adalah percepatan gempa dasar, periksa tabel . Z adalah koefisien zona, periksa gambar . v adalah koreksi pengaruh jenis tanah setempat, periksa tabel . Berdasarkan Tabel 2. dicari nilai ac untuk periode gempa 50 dan 100 tahun, didapatkan nilai a c sebesar 160 cm/det2 untuk periode 50 tahun dan 190 cm/det 2 untuk periode 100 tahun. Sedangkan nilai v diperoleh dari Tabel 3 tentang faktor koreksi pengaruh jenis tanah setempat dengan nilai untuk lokasi pengamatan di Cilegon sebesar 1,1. Selanjutnya untuk mencari nilai Z berdasarkan peta Zona Gempa Indonesia (Gambar 30), nilai Z untuk Kota Cilegon masuk ke dalam zona E dengan koefisien gempa sebesar 1,3. Setelah semua parameter terpenuhi maka nilai ad (percepatan gempa) dapat diketahui. Tabel 2. Percepatan gempa dasar untuk berbagai periode ulang. T ac (tahun) (gal) 10 90 20 120 50 160 100 190 200 220 500 250 1000 280 5000 330 10000 350 Sumber: Pd T-14-2004-A Tabel 3. Faktor koreksi pengaruh jenis tanah setempat.
Sumber: Pd T-14-2004-A
34
Gambar 30. Peta Zona Gempa Indonesia pada Pd T-14-2004-A. 11. Setelah semua percepatan gempa selesai dicari, analisis dilanjutkan pada analisis statik. Analisis statik menggunakan SLOPE/W sebagai parent analysis untuk melihat perubahan safety factor akibat penambahan beban gempa. Analisis statik menggunakan fitur QUAKE/W sebagai subanalysis untuk mengetahui perubahan gaya dalam akibat pembebanan gempa. Analisis dimulai dengan menentukan tipe analisisnya terlebih dahulu (Gambar 31a), dilanjutkan dengan memilih kondisi pore water pressure awal yang diambil dari analisis sebelumnya yang menggunakan fitur SIGMA/W (Gambar 31b). Sama halnya dengan analisis menggunakan SIGMA/W, analisis menggunakan QUAKE/W juga membutuhkan boundary condition yang diatur pemilihannya seperti pada gambar lalu dikondisikan ke bagian dari bendungan tersebut (Gambar 32).
(a)
35
(b) Gambar 31. (a) Pengaturan tipe analisa pada QUAKE/W. (b) Pengaturan kondisi PWP pada QUAKE/W.
Gambar 32. Pengaturan boundary condition pada QUAKE/W. Pengaturan material pada QUAKE/W (Gambar 33) membutuhkan beberapa data tambahan seperti, poisson ratio, damping ratio, dan Gmax. Nilai poisson ratio dan damping ratio didapatkan dari data sekunder,sedangkan untuk nilai Gmax digunakan persamaan empiris dari Imai dan Yoshimura (1970) pada Pd T-14-2004-A untuk semua jenis tanah yakni Gmax = 1000 N 0,78 , N adalah nilai SPT tanah pada masing-masing lokasi. Selanjutnya dilakukan penggambaran mesh menggunakan mesh properties (Gambar 34a) dengan ukuran elemen sebesar 2 meter (Gambar 34b), penggambaran mesh ini dilakukan untuk analisa displacement.
Gambar 33. Pengaturan model material pada QUAKE/W.
36
(a)
(b)
Gambar 34. (a) Icon Mesh Properties. (b) Pengaturan besar mesh. 12. Begitu pemodelan bendungan selesai, maka beban gempa dapat diinputkan melalui QUAKE/W. Beban gempa diinputkan melalui Key-In > Horizontal Earthquake Record/ Vertical Earthquake Record, pembebanan pertama dilakukan berdasarkan SNI-1726-2002. Cara input data gempa dapat dilihat pada Gambar 35a dan 35b.
(a)
(b)
Gambar 35. (a) Input Horizontal Earthquake Record SNI-1726-2002 untuk analisis statik. (b) Input Vertical Earthquake Record SNI-1726-2002 untuk analisis statik. 13. Setelah data gempa dimasukan, maka hasil analisis berupa perbedaan warna pada bendungan yang mengindikasikan perbedaan tegangan yang dialami oleh masing-masing bagian bendungan. Displacement pada bendungan dapat dilihat melalui graph>relative lateral displacement>data (from nodes)>set location, grafik diatur dimana sumbu x adalah relative x displacement dan sumbu y tetap pada y. Setelah selesai,hasil displacement dapat dilihat pada grafik beserta nilainya.
37
14. Setelah input beban gempa pada QUAKE/W selesai maka selanjutnya adalah memasukan beban gempa pada SLOPE/W melalui key-in > seismic load (Gambar 36). Setelah penambahan beban gempa,dapat dilihat perubahan safety factor pada bendungan.
Gambar 36. Input beban gempa pada SLOPE/W. 15. Pada analisis statik yang kedua menggunakan acuan RSNI-1726-2010 caranya sama dengan analisis statik yang sebelumnya. Dimulai dengan menggunakan SLOPE/W sebagai parent analysis dan QUAKE/W untuk mengetahui perubahan gaya dalam yang terjadi. Pengaturan QUAKE/W untuk analisis statik yang kedua ini sama dengan analisis statik sebelumnya. 16. Pada analisis statik yang ketiga dan keempat yang mengacu kepada Pd T-14-2004-A untuk periode ulang 50 dan 100 tahun tidak dianalisis menggunakan QUAKE/W, dikarenakan pendekatan yang dilakukan berbeda. Analisis yang mengacu pada Pd T-14-2004-A dapat langsung dimasukan ke dalam analisis stabilitas bendungan melalui SLOPE/W pada analisis kestabilan bendungan dengan beban gempa melalui key-in > seismic load. 17. Analsis kestabilan bendungan dengan cara dinamik. Analisis dinamik menggunakan SLOPE/W sebagai parent analysis untuk melihat perubahan safety factor akibat penambahan beban gempa. Analisis dinamik juga menggunakan fitur QUAKE/W sebagai sub-analysis untuk mengetahui perubahan gaya dalam akibat pembebanan gempa. Pada analisis dinamis yang pertama ini semua asumsi yang dipakai sama dengan asumsi pada analisis statik. Perbedaannya terdapat pada periodenya, pengaturan periode diatur melalui key-in analysis > time, dimana analisis dinamik diatur untuk periode 10 detik (Gambar 37). 18. Setelah semua asumsi pemodelan disesuaikan maka dilanjutkan dengan pembeban gempa. Pembebanan pertama dilakukan berdasarkan SNI-1726-2002. Cara input data gempa sama seperti sebelumnya. 19. Hasil analisis berupa perbedaan warna pada bendungan yang mengindikasikan perbedaan tegangan yang dialami oleh masing-masing bagian bendungan. Displacement pada bendungan dapat dilihat melalui graph>relative lateral displacement>data (from nodes)>set location, grafik diatur dimana sumbu x adalah relative x displacement dan sumbu y tetap pada y. Setelah selesai,hasil displacement dapat dilihat pada grafik beserta nilainya. 20. Setelah input beban gempa pada QUAKE/W selesai maka selanjutnya adalah memasukan beban gempa pada SLOPE/W melalui key-in > seismic load. Setelah penambahan beban gempa,dapat dilihat perubahan safety factor pada bendungan.
38
Gambar 37. Pengaturan periode gempa pada QUAKE/W. 21. Pada analisis dinamik yang kedua menggunakan acuan RSNI-1726-2010 caranya sama dengan analisis dinamik yang sebelumnya. Dimulai dengan menggunakan SLOPE/W sebagai parent analysis dan QUAKE/W untuk mengetahui perubahan gaya dalam yang terjadi. Pengaturan QUAKE/W untuk analisis dinamik yang kedua ini sama dengan analisis dinamik sebelumnya. 22. Setelah semua tahapan analisis dilakukan dan diperoleh hasilnya, maka dilakukan evaluasi terhadap standar safety factor untuk bendungan tipe urugan yang besarnya > 1,25. Apabila hasil analisis safety factor < 1,25 dilakukan pengkajian penyebab tidak terpenuhinya safety factor dan melakukan rekomendasi upaya perbaikan.
39
