ANALISIS DESAIN STRUKTUR PERKERASAN KAKU LANDASAN PESAWAT UDARA BERDASARKAN METODA ICAO TESIS ARIE FIBRYANTO NIM :

Transkripsi

1 ANALISIS DESAIN STRUKTUR PERKERASAN KAKU LANDASAN PESAWAT UDARA BERDASARKAN METODA ICAO TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung Oleh : ARIE FIBRYANTO NIM : Program Studi Rekayasa Transportasi INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2005

2

3 Karena sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan, sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan. Maka apabila kamu telah selesai (dari suatu urusan), kerjakanlah dengan sungguh-sungguh (urusan) yang lain, dan hanya kepada Tuhanmulah hendaknya kamu berharap. (QS. Alam Nasyrah: 5-8) Kupersembahkan untuk yang tercinta Mama dan Papa Kakak dan Adikku

4 ABSTRAK ANALISIS DESAIN STRUKTUR PERKERASAN KAKU LANDASAN PESAWAT UDARA BERDASARKAN METODA ICAO Oleh Arie Fibryanto NIM : Saat ini terdapat beberapa metoda desain struktur perkerasan kaku untuk landasan pesawat udara, antara lain : metoda ICAO (International Civil Aviation Organization), metoda FAA (Federal Aviation Administration) dan metoda PCA (Portland Cement Association). Metoda desain tersebut berbeda dalam memperhitungkan pengaruh dari beban lalu lintas pesawat udara campuran (mix traffic) yang beroperasi. Metoda ICAO dan PCA yang dilengkapi program komputer (program Airfield) yang tersedia di Laboratorium Rekayasa Jalan, ITB, merupakan metoda desain sistematik yang memungkinkan perancang melakukan analisis dan memilih desain yang efektif sesuai dengan kondisi yang ada. Metoda ICAO dan metoda FAA menggunakan faktor ekivalen beban dari masing-masing jenis pesawat udara terhadap pesawat udara desain, sedangkan metoda PCA memperhitungkan umur kelelahan perkerasan kaku yang diakibatkan oleh masing-masing jenis pesawat udara. Penelitian ini dimaksudkan untuk mengkaji pendekatan desain yang didasarkan pada pesawat udara desain dan pesawat udara campuran. Untuk itu digunakan contoh data pergerakan pesawat udara dan data struktur perkerasan untuk apron di Bandar Udara Juanda, Surabaya. Penelitian yang dilakukan tidak untuk mendesain ulang, sehingga asumsi yang digunakan di dalam proses analisis adalah tebal perkerasan tipikal eksisting. Proses desain dilakukan apakah secara manual berdasarkan kurva desain yang sudah disediakan khususnya untuk sejumlah jenis pesawat udara tertentu yang umum digunakan, atau dengan menggunakan program komputer (program Airfield). Hasil analisis ketiga metoda desain struktur perkerasan kaku, diperoleh pesawat udara desain yang sama yaitu pesawat udara A-330. Hal ini disebabkan oleh tegangan lentur di dalam struktur perkerasan kaku akibat pesawat udara A-330 merupakan tegangan lentur terbesar, yaitu 2,468 MPa. Sedangkan untuk faktor keamanan, ketiga metoda desain berbeda. Perbedaan faktor kemanan untuk masing-masing metoda ICAO, FAA dan PCA adalah 1.20, 1.13 dan Faktor keamanan berbeda disebabkan karena perbedaan asumsi yang digunakan. Untuk pendekatan desain menggunakan pesawat udara desain, setiap jenis pesawat udara yang beroperasi dianggap melintasi jalur lintasan roda rata-rata yang sama, sedangkan pesawat udara campuran (mix traffic), jalur lintasan roda dari setiap jenis pesawat udara yang beroperasi dianggap berbeda sesuai dengan konfigurasi rodanya masing-masing. Hasil analisis selanjutnya tentang sensitivitas faktor desain terhadap desain tebal perkerasan (D desain ) seperti jumlah lintasan pesawat udara tahunan, karakteristik pesawat udara, kekuatan pelat beton dan stabilitas tanah dasar (subgrade), sangat mempengaruhi desain struktur perkerasan yaitu dalam kisaran antara 0.01 sampai dengan 0.75 (%perubahan D desain / %perubahan data desain) pada perubahan data desain sebesar 20 %. Kata kunci: desain struktur perkerasan kaku, landasan pesawat udara, metoda ICAO, metoda FAA, metoda PCA, program Airfield, kurva desain iv

5 ABSTRACT ANALYSIS OF RIGID PAVEMENT STRUCTURAL DESIGN FOR AIRFIELD BASED ON THE ICAO METHOD By Arie Fibryanto Student Number : There are several design methods currently known for airfield rigid pavement structures, such as ICAO method (International Civil Aviation Organization), FAA method (Federal Aviation method) and PCA method (Portland Cement Association). These design methods calculate mixed aircraft traffic for design differently. The ICAO and the PCA methods are supported with a computer program which are available in the Highway Engineering Laboratorium of ITB. It offers a systematic approach for designers to carry out analysis and choose an effective design in accordance with conditions. In hand the ICAO method and the FAA method use load equivalent factor of each aircraft against the design aircraft, whereas the PCA methods takes into account rigid pavement wear age caused by each aircraft. The purpose of this research is to study a design approach based on design aircraft and mixed airraft. For this purpose sample data of aircraft flight and data of rigid pavement structure of the apron at Juanda airfield, Surabaya, are used. The research conducted is meant not for redesigning so that the assumtion taken in process analysis is the typical existing pavement thickness. Design process is implemented either manually based on the available design curve, in particular for a certain number of aircraft in common use, or by using a computer program (Airfield program). The result analysis of the three rigid pavement structure designs yields the same design aircraft, namely the A-330 aircraft. This due to the fact that the flexural stress in the rigid pavement structure due to the A-330 aircraft is the largest, namely MPa. However, in the matter of safety factor, the three design methods differ. The safety factors for each method, the ICAO, PCA, and FAA, are respectively 1.20, 1.36, and The safety factors differ, because of the difference in assumption used. For design approachs the design aircraft is used, every type of aircraft operating is assumed to be different conforming to each respective wheel configuration. Further results of analysis concerning design factor sensitivity on pavement thickness design (D design ), like the number of annual aircraft departures, aircraft characteristics, concrete flexural strength, and subgrade stability, very much influence pavement structure design, namely in the range of 0.01 till 0.75 (% change in D design / % change in design data) in change design data in the amount of 20 %. Keywords : rigid pavement design, airfield, ICAO method, FAA method, PCA method, Airfield program, design curve. v

6 PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pasca Sarjana, Institut Teknologi Bandung. Perpustakaan yang meminjam tesis ini untuk keperluan anggotanya harus mengisi nama dan tanda tangan peminjam dan tanggal pinjam. vi

7 KATA PENGANTAR Syukur yang tiada terkira kepada Allah SWT atas rahmat dan hidayah-nya sehingga tesis ini dapat diselesaikan. Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar besarnya kepada Dosen Pembimbing Bapak Dr. Ir. Djunaedi Kosasih, M.Sc dan Ir. Pamudji Widodo, M.Sc, atas semua bimbingan, saran, nasehat dan dorongan yang sangat berguna selama penelitian berlangsung serta waktu yang telah diluangkan selama penulisan tesis ini. Ucapan terima kasih ditujukan kepada Dr. Ir. Rudy Hermawan K., M.Sc., atas saran dan bimbingan selama penulisan tesis ini. Ucapan terima kasih ditujukan kepada Direktorat Jenderal Perhubungan Udara dan PT. (Persero) Angkasa Pura I Bandar Udara Juanda, Surabaya, atas pemberian data-data yang diperlukan. Ucapan terima kasih untuk segenap Staf Pengajar dan Karyawan Program Magister Rekayasa Transportasi, Institut Teknologi Bandung, selama penulis menyelesaikan masa perkuliahan. Ucapan terima kasih juga untuk Anggiasari, Agung, Arif, Haryono, Yudhi, Hadi, Santo dan teman teman, di Program Magister Rekayasa Transportasi, Institut Teknologi Bandung, atas persahabatan dan dukungan selama masa perkuliahan. vii

8 DAFTAR ISI ABSTRAK.... iv ABSTRACT.... v PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS.... vi KATA PENGANTAR.... vii DAFTAR ISI....viii DAFTAR LAMPIRAN xi DAFTAR GAMBAR.... xii DAFTAR TABEL xiii DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG.... xv BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang I.2 Tujuan Penelitian... 2 I.3 Lingkup Penelitian BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1 Perencanaan Bandara Udara II.2 Karakteristik Pesawat Terbang... 4 II.2.1 Berat pesawat udara.. 4 II.2.2 Dimensi pesawat udara II.2.3 Konfigurasi roda pesawat udara II.3 Struktur perkerasan kaku II.3.1 Tanah dasar II.3.2 Lapisan pondasi bawah II.3.3 Perkerasan kaku II.4 Beban Roda Tunggal Ekivalen (ESWL)... 9 II.5 Sifat Sifat Beton II.5.1 Kuat lentur (Flexural strength) II.5.2 Penerapan konsep kelelahan (Fatigue) II.6 Tegangan di Dalam Perkerasan Kaku II.6.1 Tegangan akibat beban roda II.6.2 Tegangan akibat perbedaan temperatur dan kelembaban viii

9 II.6.3 Tegangan akibat gesek II.7 Joint II.7.1 Expansion joint II.7.2 Construction joint II.7.3 Contraction joint II.8 Metode ICAO II.8.1 Keberangkatan tahunan ekivalen II.8.2 Coverage II.8.3 Desain tebal perkerasan kaku landasan pesawat udara II.8.4 Aircraft classification number (ACN) II.9 Metode FAA II.10 Metode PCA II.11 Program Airfield BAB III PROGRAM DAN METODOLOGI PENELITIAN III.1 Program Penelitian III.2 Metodologi Penelitian III.2.1 Metodologi pengumpulan data III.2.2 Metodologi analisis metode desain struktur perkerasan kaku III.2.3 Metodologi pengembangan chart desain 31 III.2.4 Metodologi analisis sensitivitas.. 31 BAB IV PRESENTASI DATA DAN ANALISIS IV.1 Presentasi Data. 33 IV.1.1. Data pergerakan pesawat udara IV.1.2. Data karakterisik pesawat udara 36 IV.1.3 Data struktur perkerasan dan data teknis desain IV.2 Analisis Metoda Desain Struktur Perkerasan Kaku IV.2.1. Analisis tegangan IV.2.2. Analisis pengembangan kurva desain IV.2.3. Analisis fatigue IV.2.4. Analisis LRF IV.3 Desain Perkerasan Kaku ix

10 IV.3.1. Metode ICAO IV.3.2. Metode FAA IV.3.3. Metode PCA IV.4. Analisis Sensitivitas Parameter Desain BAB V KESIMPULAN DAN SARAN V.1 Kesimpulan V.2 Saran DAFTAR PUSTAKA x

11 DAFTAR LAMPIRAN LAMPIRAN Halaman A DATA PERGERAKAN PESAWAT UDARA 62 B DATA KARAKTERISTIK PESAWAT UDARA 68 C DATA SIMULASI HUBUNGAN TEBAL DAN TEGANGAN 80 D KURVA DESAIN PERKERASAN METODE ICAO 86 E PERHITUNGAN ANNUAL DEPARTURE 106 F KURVA DESAIN PERKERASAN METODE FAA 124 xi

12 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar II.1 : Air side lapangan terbang 3 Gambar II.2 : Konfigurasi roda pada pesawat udara 6 Gambar II.3 : Pengaruh stabilisasi lapisan sub-base terhadap modulus subgrade Gambar III.1 : Diagram alir program penelitian 27 Gambar IV.1 : Histogram pergerakan pesawat udara tipikal 36 8 Gambar IV.2 : Struktur perkerasan di apron pada Bandar Udara juanda, Surabaya 37 Gambar IV.3 : Jumlah blok (N) mengunakan chart Pickett and Ray 39 Gambar IV.4 : Jumlah blok (N) mengunakan program Airfield 40 Gambar IV.5 : Tegangan yang terjadi pada jalur lintasan roda pesawat udara 40 Gambar IV.6 : Program Airfield untuk pembuatan kurva desain manual 41 Gambar IV.7 : Kurva desain struktur perkerasan kaku pesawat udara A Gambar IV.8 : Kriteria retak lelah (fatigue) 43 Gambar IV.9 : Ilustrasi proses perhitungan nilai LRF untuk jenis pesawat 45 udara tertentu Gambar IV.10 : Kurva desain perkerasan kaku dual tandem gear 51 Gambar IV.11 : Posisi jalur desain kritis 54 Gambar IV.12 : Kontribusi kerusakan terhadap volume keberangkatan tahunan 55 Gambar IV.13 : Penggunaan program Airfield untuk analisis sensitivitas 57 Gambar IV.14 : Analisis sensitivitas k, MR, E, μ dan pass to coverage ratio 57 Gambar IV.15 : Kurva hubungan posisi roda pendaratan dengan tegangan 58 xii

13 DAFTAR TABEL Halaman Tabel II.1 : Nilai k terhadap bahan pondasi 7 Tabel II.2 : Rasio tegangan (stress) dan pengulangan beban ijin 11 Tabel II.3 : Faktor-faktor untuk mengubah keberangkatan tahunan pesawat udara menjadi keberangkatan tahunan ekivalen pesawat udara desain 16 Tabel II.4 : Pass to coverage ratio untuk berbagai tipe roda 17 Tabel II.5 : Tebal perkerasan untuk annual departure > Tabel II.6 : Faktor keamanan metode FAA 20 Tabel II.7 : Faktor keamanan metode PCA 22 Tabel II.8 : Load repetition factor untuk beberapa pesawat udara 23 Tabel II.9 : Variasi kekuatan beton 23 Tabel II.10 : Joint spacing 24 Tabel II.11 : Perbedaan Metode ICAO, PCA dan FAA 24 Tabel IV.1 : Data pergerakan pesawat udara selama tahun Tabel IV.2 : Data karakteristik pesawat udara 35 Tabel IV.3 : Data struktur perkerasan dan data desain 38 Tabel IV.4 : Contoh fatigue > 100 % 44 Tabel IV.5 : Hasil perhitungan nilai LRF 46 Tabel IV.6 : Perhitungan keberangkatan tahunan ekivalen 47 Tabel IV.7 : Ringkasan hasil desain perkerasan metoda ICAO 48 Tabel IV.8 : Desain perkerasan dengan perubahan MR 90 dan k (Fk = 1.36) 49 xiii

14 Tabel IV.9 : Desain perkerasan dengan perubahan faktor keamanan (Fk = 1.20) 49 Tabel IV.10 : Rekapitulasi hasil desain perkerasan menggunakan metoda ICAO 50 Tabel IV.11 : Ringkasan hasil desain perkerasan metoda FAA (Fk = 1.13) 52 Tabel IV.12 : Ringkasan hasil desain perkerasan metode PCA (Fk = 1.36) 53 Tabel IV.13 : Ringkasan hasil desain perkerasan ICAO, FAA, PCA 56 xiv

15 DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG SINGKATAN Nama Pemakaian pertama kali pada halaman AIRFIELD Program Komputer untuk desain dan analisis perkerasan kaku 1 FAA Federal Aviation Number 1 PCA Portland Cement Association 1 RUNWAY Landas Pacu 1 APRON Landas Parkir 1 TAXIWAY Landas Hubung 1 ARFL Aeroplane Reference Field Length 3 ICAO International Civil Aviation Organization 3 MTOW Berat maksimum Untuk Lepas Landas 4 AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials ESWL Equivalent Single Wheel Load 9 NAASRA National Association of Australian State Road Authorities 11 ACN/PCN Aircraft classification Number / Pavement classification Number 18 PSWT/THN Pesawat / Tahun 35 LRF Load Repetition Factor 37 ATC Asphalt Treated Course 37 7 LAMBANG a Radius of Contact 6 q Tire Pressure 6 k Modulus Reaksi Tanah Dasar 7 E Modulus Elastisitas 9 μ Angka poisson 9 MR Modulus Ruptur (Flexural Strength) 10 τ Flexural Stress 12 xv

16 R1 Keberangkatan Tahunan Ekivalen Pesawat Rencana 17 R2 Keberangkatan Tahunan ditunjukkan dalam roda pendaratan 17 pesawat rencana W1 Beban Roda Pesawat Rencana 17 W2 Beban Roda Pesawat yang ditanyakan 17 C Coverages 22 D Number of operation at full load 22 N Number of wheels on main gear 22 w Width of contact area of one tire 22 T Traffic width 22 l Radius Relative Stiffness 25 S Tipe roda pendaratan Single Wheel 35 D Tipe roda pendaratan Dual Wheel 35 DT Tipe roda pendaratan Dual Tandem 35 DDT Tipe roda pendaratan Double Dual Tandem 35 COM Tipe roda pendaratan Double Dual Tandem 35 Fk Faktor Keamanan 47 H Tebal beton 48 xvi

17 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN V.1 Kesimpulan Melalui hasil yang diperoleh dari penelitian ini, hal-hal yang dapat ditarik sebagai kesimpulan adalah sebagai berikut : 1. Desain struktur perkerasan kaku landasan pesawat udara dengan tebal 45 cm, metoda ICAO, PCA dan FAA memperoleh faktor keamanan yang saling berbeda. Faktor keamanan ICAO adalah 1.20, PCA 1.36 dan FAA Perbedaan tersebut disebabkan oleh perbedaan pendekatan desain yang didasarkan pada pesawat udara desain dan pesawat udara campuran. Dari ketiga faktor keamanan, metoda FAA merupakan metoda desain yang terbaik karena menggunakan faktor keamanan yang sangat kecil. Faktor keamanan 1.13 yang diperlihatkan dari hasil analisis metoda FAA, diperoleh tebal perkerasan yang sama dengan tebal perkerasan metoda lainnya yaitu 45 cm. Selain itu, pendekatan ketiga metoda desain berbeda dalam memperhitungkan pengaruh dari beban lalu lintas pesawat udara campuran yang beroperasi. Metoda ICAO dan FAA menggunakan faktor ekivalen beban dari masing-masing jenis pesawat udara dan jalur lintasan dianggap sama untuk setiap jenis pesawat udara. Sedangkan, metoda PCA memperhitungkan jalur lintasan dan umur kelelahan perkerasan kaku yang diakibatkan oleh masing-masing jenis pesawat udara. Dilain pihak, ketiga metoda desain memperoleh pesawat udara desain yang sama yaitu pesawat udara Airbus A-330 Hal ini disebabkan oleh tegangan lentur di dalam struktur perkerasan kaku akibat pesawat udara A-330 merupakan tegangan lentur terbesar, yaitu 2,468 MPa. 2. Jalur desain kritis pada proses desain struktur perkerasan kaku yang mempertimbangkan volume lalu lintas pesawat udara campuran dapat bergeser dari jalur lintasan roda rata-rata pesawat udara desain. Jalur desain kritis yang diperoleh adalah 1066 cm, sedangkan posisi jalur lintasan roda rata-rata dari pesawat udara desain A-330 adalah 1070 cm. Pergeseran lintasan roda pesawat udara terhadap derajat kerusakan yang ditimbulkan, dikoreksi dengan faktor repetisi beban (LRF) menggunakan program Airfield. Melalui pendekatan ini, nilai LRF dihasilkan sebagai produk desain. 59

18 3. Berdasarkan analisis sensitivitas parameter desain perkerasan kaku, maka dapat diurutkan mulai dari parameter yang paling sensitif adalah sebagai berikut : modulus rupture (MR) beton, modulus subgrade reaction k, modulus elatis (E), pass to coverage ratio, dan angka poisson ratio (μ). Peningkatan parameter desain hingga 20 %, menyebabkan tebal perkerasan berubah. Untuk MR, k dan pass to coverage ratio, tebal perkerasan menurun masing-masing menjadi 0.75, 0.18, 0.22 (%perubahan ketebalan / %perubahan parameter desain), sedangkan E dan μ, tebal perkerasan meningkat masing-masing adalah 0.18 dan 0.01 (%perubahan ketebalan / %perubahan parameter desain). Pengaruh perubahan parameter ini dapat disimpulkan, bahwa ada tiga perubahan parameter desain yang berbanding terbalik dengan perubahan ketebalan desain perkerasan kaku, yaitu : modulus subgrade reaction k, modulus rupture beton (MR), pass to coverage ratio, sedangkan parameter lainnya berbanding lurus terhadap perubahan ketebalan. V.2 Saran Sesuai dengan kesimpulan di atas, beberapa saran penelitian lanjutan yang dapat diusulkan untuk menyempurnakan hasil penelitian, adalah sebagai berikut : 1. Hasil penelitian ini menerapkan konsep fatigue dengan model PCA untuk desain struktur perkerasan kaku landasan pesawat udara. Hal ini sejalan dengan pendekatan konsep fatigue yang telah digunakan dalam desain struktur perkerasan lentur menurut Asphalt Institute (AI) 73. Merupakan hal yang menarik untuk menerapkan kedua metoda dalam proses desain struktur perkerasan untuk suatu bandar udara tertentu. Aspek yang ditinjau dapat mencakup analisis biaya dan analisis teknis. 2. Jumlah annual departure pesawat udara berbadan lebar yang diperoleh dari data desain Bandar Udara Juanda, Surabaya, tidak terlalu signifikan. Hal ini perlu dianalisis lebih lanjut untuk bandar udara lainnya, jika jumlah annual depature pesawat udara berbadan lebar sangat signifikan atau desain struktur perkerasan tidak menggunakan pesawat udara berbadan lebar. 60

19 DAFTAR PUSTAKA 1. AI (1973), Full-Depth Asphalt Pavements for Air Carrier Airports, Manual Series No.11, Asphalt Institute. 2. ASTM (1992), Annual books of ASTM Standards, Concrete and Aggregates, Vol , American Society for Testing and Materials. 3. Croney D. dan Paul C. (1992), The Design and Performance of Road Pavement, Second Edition, McGraw-Hill Co, Singapore. 4. Directore of Civil Engineering Services (1989), A Guide to Airfield Pavement Design and Evaluation, United Kingdom. 5. Harijanto Fr. (2001), Teknik Bandar Udara, Edisi Kedua, Nafiri, Yogyakarta. 6. Horonjeff R. dan McKelvey F.X. (1993), Perencanaan dan Perancangan Bandar Udara, Edisi Ketiga-Terjemahan, Erlangga, Jakarta. 7. Huang Y. H. (2004), Pavement Analysis and Design, Second Edition, Pearson Education Inc, New Jersey. 8. International Civil Aviation Organization (1999), Aerodrome Annex 14 to The Convention on International Civil Aviation. 9. International Civil Aviation Organization (1983), Aerodrome Design Manual, Second Edition, Part 3-Pavements. 10. NAASRA (1987), Pavement Design a Guide to The Structural Design of Road Pavements, First Published, Australia. 11. Oglesby C.H. dan Hicks R.G (1996), Teknik Jalan Raya, Edisi Keempat, Erlangga, Jakarta. 12. Pell P.S. (1978), Developments in Highway Pavement Engineering-2, Applied Science Publishers Ltd, London. 13. Sargious M. (1975), Pavement and Surfacings for Highway and Airport, Applied Scince Publishers Ltd, London. 14. Singh G.C. ( 1978), Highway Engineering, Nai Sarak, Delhi. 15. Yoder E.J. dan Witczak M.W. (1975), Principles of Pavement Design, Second Edition, John Wiley & Sons Inc, New York Manual Pavement Design Aircraft Classification Numbers Characteristic and History Aircraft