Analisis Daya Dukung Helical Pile Menggunakan Metode Elemen Hingga

Transkripsi

1 Rekaracana Teknik Sipil Itenas No.x Vol.xx Jurnal Online Institut Teknologi Nasional Januari 2015 Analisis Daya Dukung Helical Pile Menggunakan Metode Elemen Hingga ARYANATA, A. 1, HAMDHAN, I.N. 2 1 Mahasiswa, Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan Institut Teknologi Nasional 2 Dosen, Teknik Sipil Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan Institut Teknologi Nasional aprin.aryanata@yahoo.com ABSTRAK Penelitian dalam menentukan kapasitas daya dukung ultimate pada pondasi helical merupakan masalah yang kompleks. Penting untuk menentukan metode yang cocok digunakan dalam mengestimasi nilai kapasitas daya dukung ultimate pondasi helical. Hal tersebut dapat dilakukan dengan cara membandingkan antara metode analitis (metode cylindrical shear dan metode individual bearing) dengan metode elemen hingga baik pada tanah lempung maupun tanah pasir. Variasi rasio jarak (S/Dh) sebesar 1,0 sampai dengan 3,5 dilakukan dalam analisis daya dukung pondasi helical ini. Hasil perhitungan kapasitas daya dukung tiang helical mununjukkan metode cylindrical shear lebih realistis, karena nilainya mendekati nilai rata-rata daya dukung tiang helical metode elemen hingga. Ini dinyatakan dengan selisih rata-rata persentasenya yang mendekati nilai nol % yaitu 4,371%. Kata kunci : Plaxis, Cylindrical Shear, Individual Bearing, Clay, Pasir. ABSTRACT Research in determine the ultimate bearing capacity of the helical foundation is a complex problem. It is important to determine the method that is suitable for estimate the value of the ultimate bearing capacity of the foundation helical. This can be done by comparing the analytical method (method cylindrical bearing shear and individual methods) with the finite element method both in clay and sandy soil. Variations distance ratio (S / Dh) of 1,0 to 3,5 is done in the analysis of the carrying capacity of this helical foundation. The calculation results of the bearing capacity at a helical pile shown cylindrical shear method is more realistic, because its value is close to the average value of a helical pile bearing capacity on the finite elemen method. It is express by the average percentage difference approach zero % rate is 4.371%. Keywords : Plaxis, Cylindrical Shear, Individual Bearing, Clay, Sand. Reka Racana - 1

2 Aryanata, A., Hamdhan, I.N. 1. PENDAHULUAN Banyaknya jenis pondasi tiang yang ada, memungkinkan penggunaan pondasi tiang pada semua jenis tanah dan semua jenis struktur. Pondasi Helical Pile merupakan jenis pondasi yang termasuk pondasi tiang baja. Pada awalnya Helical Pile digunakan untuk memperkuat daya dukung mercusuar dan bangunan pesisir pantai di inggris * (Perko, 2009). Helical Pile pada umumnya terbuat dari tiang baja yang mempunyai helix pada ujung tiangnya atau beberapa helix pada ujung dan tengah tiangnya. Dengan adanya helix membuat kapasitas daya dukung pada Helical Pile lebih besar. Pada perencanaan suatu struktur bangunan yang menggunakan pondasi tiang, penentuan kapasitas daya dukung ultimate pada pondasi merupakan faktor terpenting dalam perencanaan. Oleh sebab itu, perlu dilakukan analisis untuk mengetahui dan menentukan nilai kapasitas daya dukung ultimate pondasi tiang Helical. Ada banyak sekali metode-metode yang dapat digunakan dalam penentuan kapasitas daya dukung tiang Helical, secara analitis metode yang dapat digunakan adalah metode Individual Bearing dan Cylindrical Shear *(Perko, 2009), sedangkan untuk perhitungan numerik menggunakan metode elemen hingga. Pada penelitian ini akan menganalisis daya dukung ultimate tiang Helical dengan metode Individual Bearing, Cylindrical Shear, dan Elemen Hingga. 2.1 Kapasitas daya dukung ujung (Q b ) 2. TINJAUAN PUSTAKA Metode Kapasitas daya dukung ujung (Q b ) dimobilasi dibawah tumpukan helix dapat dinyatakan dengan persamaan (1) untuk tanah lempung dan persamaan (2) untuk tanah pasir. Q b = Q b = dimana : H = kedalaman helix di bawah permukaan tanah (m) Dh = diameter helix (m) d = diameter poros tiang (m) Nc = faktor kapasitas bearing untuk tanah lempung Cu = kuat geser undrained tanah lempung (kpa) * N q = Faktor kapasitas bearing untuk tanah pasir γ ' = Satuan tanah efektif menurunkan berat (kn/m 3 )... (1)... (2) Menurut CFEM 2006 nilai Nc pada tanah lempung diambil 9,0 sedangkan nilai N * q untuk tanah pasir ditujukan pada Gambar 1. (Winterkorn dan Fang 1975), direkomendasikankan menggunakan vesic (1963). Reka Racana - 2

3 Analisis Daya Dukung Helical Pile Menggunakan Metode Elemen Hingga 2.2 Gambar 1. Variasi faktor bearing capacity, dari berbagai penulis (Winterkorn dan Fang, 1975) Pengaruh Kapasitas Daya Dukung Selimut Tiang (Q s ) Kapasitas daya dukung selimut tiang (Q s ) untuk tanah pasir dapat dinyatakan dengan persamaan (3). Q s = dimana : φ = sudut geser = koefisien tekanan tanah lateral dalam tekan K s... (3) Dimana H eff dapat dinyatakan dengan formula dibawah ini H eff = H 1 Dh... (4) dimana : H 1 = kedalaman helix paling atas (m) Dh = diameter helix (m) Mitsch and Clemence (1985) telah merekomendasikan dalam menentukan nilai K u seperti yang ditunjukan pada Tabel 1 dibawah ini. Tabel 1. Rekomendasi Nilai K u untuk Tiang Helical (Mitsch and Clemence, 1985) Sudut geser tanah (φ) Koefisien tarik (K u ) 25 0, , , , ,20 Untuk beban tekan, nilai untuk koefisien tekan (K s ) dapat dihitung dengan persamaan (5). Reka Racana - 3

4 Aryanata, A., Hamdhan, I.N.... (5) dimana: = parameter desain gesekan selimut tiang untuk perpindahan tiang di pasir Tabel 2 (CFEM, 2006) δ = sudut geser antara tiang dan tanah, sama dengan 0.6 φ untuk untuk tiang baja di pasir (Kulhawy, 1984) Tabel 2. Parameter Koefisien β Soil type Cast-in-place pile Driven pile Silt 0,2 0,3 0,3 0,5 Loose sand 0,2 0,4 0,3 0,8 Medium sand 0,3 0,5 0,6 1,0 Dense sand 0,4 0,6 0,8 1,2 Gravel 0,4 0,7 0,8 1,5 (sumber : CFEM, 2006) Untuk tiang helical pada tanah lempung, yang gesekan selimut tiang dimobilisasi dibawah dapat dihitung dengan persamaan (6). Q s =... (6) dimana : α = faktor adhesi Nilai faktor adhesi (α), untuk tanah lempung telah ditentukan berdasarkan (CFEM, 2006) yang ditunjukan pada Gambar 2. Gambar 2. Faktor adhesi untuk tanah lempung (CFEM, 2006) Pada perhitungan kapasitas daya dukung selimut tiang, terdapat nilai jarak antara helix (S/Dh) yang mempengaruhi besarnya nilai kapasitas daya dukung selimut tiang. 2.3 Kapasitas Daya Dukung Silinder (Q c ) Pada metode Cylindrical Shear, resistensi gesekan dimobilisasi sepanjang silinder yang dibentuk oleh helix atas menuju helix bawah. Hal ini dapat ditujukan pada persamaan (7) untuk tanah pasir, sedangkan untuk tanah lempung dapat dilihat di persamaan (8). Reka Racana - 4

5 Analisis Daya Dukung Helical Pile Menggunakan Metode Elemen Hingga Q c = ( ) Q c = dimana : H n = kedalaman helix paling bawah di bawah tanah (m) = kedalaman helix paling atas di bawah tanah (m) H 1... (7)... (8) 2.4 Rasio Jarak (S/Dh) Terdapat dua parameter yang menentukan apakah model tiang tersebut menggunakan metode Cylindrical Shear atau menggunakan metode Individual Bearing yaitu dengan melihat jarak antara helix (S) dan diameter helix (Dh). Menurut CFEM (2006) untuk menentukan nilai jarak antara helix (S) maka diameter helix (Dh) dikalikan dengan rasio jarak dengan diameter helix (S/Dh). Pada metode Cylindrical Shear rasio jarak yang digunakan adalah S/Dh < 3.0 sedangkan pada metode Individual Bearing rasio jarak yang digunakan adalah S/Dh Metode Cylindrical Shear Menurut CFEM (2006) metode Cylindrical Shear mempunyai rasio jarak (S/Dh < 3.0) yang dimana metode ini mengasumsikan bahwa kedalaman helix paling atas ke helix paling bawah sebagai daya dukung silinder. Untuk lebih jelasnya terdapat pada Gambar 3. Gambar 3. Mekanisme pembebanan metode cylindrical shear Metode Cylindrical Shear kapasitas daya dukung ultimate (Q ult ) merupakan penjumlahan antara kapasitas daya dukung ujung (Q b ) ditambah dengan kapasitas daya dukung selimut tiang (Q s ) ditambah kapasitas daya dukung silinder (Q c ). Untuk lebih jelasnya terdapat pada formula dibawah ini. Q ult = Q b + Q s + Q c... (9) Reka Racana - 5

6 Aryanata, A., Hamdhan, I.N. Untuk menghitung daya dukung ujung pada helix paling bawah, nilai dari d dapat dihilangkan dengan asumsi diameter tiang tersebut sama dengan diameter helix. Nilai dari daya dukung helix paling bawah dinyatakan dengan Qb 1. Sedangkan helix tengah dan helix atas tidak perlu dihitung daya dukung ujungnya karena diasumsikan sebagai daya dukung silinder. Untuk lebih jelasnya terdapat pada formula dibawah ini. Q ult = Q b1 + Q s + Q c... (10) 2.6 Metode Individual Bearing Menurut CFEM 2006 metode Individual Bearing mempunyai rasio jarak (S/Dh 3.0) yang dimana metode ini mengasumsikan bahwa setiap helix memiliki daya dukung ujung. Untuk lebih jelasnya terdapat pada Gambar 4. Gambar 4. Mekanisme pembebanan metode Individual Bearing Metode Individual Bearing kapasitas daya dukung ujung (Q b ) merupakan penjumlahan dari banyaknya helix yang digunakan, sehingga semakin banyak jumlah helix semakin besar pula kapasitas daya dukung ujungnya (Q b ). Untuk kapasitas daya dukung ultimate (Q ult ) menggunakan metode Individual Bearing didapatkan dari penjumlahan daya dukung ujung (Q b ) ditambah dengan kapasitas daya dukung selimut tiang (Q s ). Untuk lebih jelasnya terdapat pada formula dibawah ini. Q ult = Q b + Q s... (11) Untuk menghitung daya dukung ujung pada helix paling bawah, nilai dari d dapat dihilangkan dengan asumsi diameter tiang tersebut sama dengan diameter helix. Nilai dari daya dukung helix paling bawah dinyatakan dengan Q b1. Sedangkan nilai pada helix tengah dan atas dinyatakan dalam Q b2. Untuk lebih jelasnya terdapat pada formula dibawah ini. Q ult = Q b1 + Q b2 + Q b2 + Q s... (12) Reka Racana - 6

7 Analisis Daya Dukung Helical Pile Menggunakan Metode Elemen Hingga 2.7 Metode Elemen Hingga Metode elemen hingga (finite element method) adalah suatu metode numerik yang bertujuan untuk memperoleh pemecahan pendekatan dari suatu persamaan diferensial parsial. Software yang dalam proses perhitungannya menggunakan metode elemen hingga adalah PLAXIS. PLAXIS digunakan untuk menganalisis deformasi, stabilitas, dan kapasitas daya dukung tanah pada bidang geoteknik, dimana menggunakan model-model tanah untuk melakukan simulasi terhadap perilaku dari tanah. 3.1 Metode Penelitian 3. METODE PENELITIAN Metode untuk penelitian ini di perlihatkan pada Gambar 4. Mulai Pengumpulan Data & Tinjauan Pustaka Perumusan Masalah Penentuan Parameter Tanah Analisis Daya Dukung Tiang Helical Analitis Numerik Metode Individual Bearing Metode Cylindrical Shear Metode Finite Element Pembahasan Kesimpulan & Saran 3.2 Pengumpulan Data Selesai Gambar 4. Bagan Alir Penelitian Untuk menganalisis daya dukung tiang helical, diperlukan adanya data tiang helical yang akan digunakan dan data tanah di titik yang akan dijadikan sebagai lokasi penanaman pondasi. Data tanah yang digunakan dalam tugas akhir ini dapat dilihat pada Tabel 4 dan data tiang yang digunakan dalam tugas akhir ini dapat dilihat pada Tabel 5. Tabel 4. Data Parameter Tanah Data Tanah Jenis Tanah Lempung Pasir ϒ unsat (KN/m 3 ) ϒ sat (KN/m 3 ) v 0,33 0,33 Cu (KN/m 2 ) Φ ( o ) 0 40 Ѱ ( o ) 0 30 Reka Racana - 7

8 Aryanata, A., Hamdhan, I.N. Tabel 5. Data Parameter Tiang No H Dh (helix) d (shaft) n Helix S/Dh ,5 3 0, , ,5 3 1, , ,5 3 2, , ,5 3 3,5 4.1 Hasil Penelitian 4. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Hasil perhitungan kapasitas daya dukung helical pile dengan berbagai metode. Tabel 6. Data Beban Metode Cylindrical Shear pada Tanah Lempung No S/Dh Qb (KN) Qs (KN) Qc (KN) Qult (KN) 1 0,5 329, , , , , , , ,03 3 1,5 329, , , , , , , ,93 5 2,5 329, , , , , , , ,83 7 3,5 329,308 74, , ,78 Tabel 7. Data Beban Metode Cylindrical Shear pada Tanah Pasir No S/Dh Qb (KN) Qs (KN) Qc (KN) Qult (KN) 1 0,5 5302,283 88, , , ,283 67, , , ,5 5302,283 49, , , ,283 33, , ,5 5302,283 21, , , ,283 11, , , ,5 5302,283 4, , ,265 Tabel 8. Data Beban Metode Individual Bearing pada Tanah Lempung No S/Dh Q b1 (KN) Q b2 (KN) Qs (KN) Qult (KN) 1 0,5 329, , , , , , , , ,5 329, , , , , , , , ,5 329, , , , , , , , ,5 329, ,981 74, ,451 Reka Racana - 8

9 Analisis Daya Dukung Helical Pile Menggunakan Metode Elemen Hingga Tabel 9. Data Beban Metode Individual Bearing pada Tanah Pasir Tabel 10. Data Beban Metode Elemen Hingga pada Tanah Lempung No S/Dh Mload (KN/m 2 ) Qult (KN) 1 0,5 7002, , , , ,5 8652, , , , ,5 9804, , , , , , ,97 Tabel 11. Data Beban Metode Elemen Hingga pada Tanah Pasir No S/Dh Mload (KN/m 2 ) Qult (KN) 1 0, , , , , , , , , ,31 5 2, , , , , , , , Pembahasan Hasil Penelitian Tabel 12. Rekapitulasi Hasil Kapasitas Daya Dukung Ultimate (Qult) Metode Metode Metode Jenis S/Dh Cylindrical Shear Individual Bearing Elemen Hingga Tanah (KN) (KN) (KN) Tanah Lempung Tanah Pasir No S/Dh Q b1 (KN) Q b2 (KN) Qs (KN) Qult (KN) 1 0,5 5302, ,712 88, , , ,712 67, , ,5 5302, ,712 49, , , ,712 33, , ,5 5302, ,712 21, , , ,712 11, , ,5 5302, ,712 4, ,283 0,5 854, , , , , ,781 1,5 963, , , , , ,604 2,5 1073, , , , , ,384 3,5 1183, , ,970 0,5 5899, , , , , ,082 1,5 6623, , , , , ,310 2,5 7150, , , , , ,384 3,5 7482, , ,788 Reka Racana - 9

10 Qult (KN) Aryanata, A., Hamdhan, I.N. Untuk mengetahui metode yang paling mendekati metode elemen hingga dapat dilihat pada kurva perbandingan kapasitas daya dukung ultimate dengan rasio jarak (S/Dh) atau dilakukan dengan cara mencari selisih persentase. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Tabel 13., Gambar 5., dan Gambar 6. Tabel 13. Selisih Antara Hasil Metode Elemen Hingga dengan Berbagai Metode Jenis Tanah S/Dh Metode Metode Cylindrical Shear (%) Individual Bearing (%) 0,5 37,847 10, ,307 24,315 1,5 43,224 34,197 Tanah Lempung 2 44,642 42,285 2,5 44,190 47, ,418 51,418 3,5 40,152 54,628 Rata-rata 41,968 37,884 0,5 0, , , ,058 1,5 3, ,138 Tanah Pasir 2 4, ,374 2,5 6,558 97, ,335 93,980 3,5 6,180 88,175 Rata-rata 4, ,163 Seperti yang dapat dilihat pada Tabel 13. diatas, metode yang paling mendekati dengan metode Elemen Hingga adalah metode Cylindrical Shear. Hal itu dapat dilihat dari hasil selisih persentasenya yang mendekati nilai nol %, artinya apabila selisih persentasenya bernilai nol %, maka hasil metode tersebut sama dengan hasil metode Elemen Hingga S/Dh Cylindrical Shear Individual Bearing Finite Element Gambar 5. Kurva perbandingan kapasitas daya dukung pada tanah lempung Reka Racana - 10

11 Qult (KN) Analisis Daya Dukung Helical Pile Menggunakan Metode Elemen Hingga S/Dh Gambar 6. Kurva perbandingan kapasitas daya dukung pada tanah pasir Seperti yang dapat dilihat pada Gambar 5. dan Gambar 6., metode cylindrical shear mempunyai tendensi yang sama dengan metode elemen hingga, yaitu semakin besar rasio jarak (S/Dh) maka semakin besar pula daya dukungnya. Sedangkan pada metode individual bearing tendensi yang dihasilkan berbeda, yaitu semakin besar rasio jarak (S/Dh) maka semakin kecil daya dukungnya. 5. KESIMPULAN Cylindrical Shear Individual Bearing Finite Element Berdasarkan analisis yang telah dilakukan maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : a. Metode cylindrical shear mempunyai hasil yang berdekatan dengan hasil metode elemen hingga. b. Hasil analisis daya dukung tanah pasir pada metode cylindrical shear lebih mendekati hasil dari metode Elemen Hingga daripada tanah lempung. c. Untuk Metode cylindrical shear dan metode Elemen Hingga semakin besar rasio jarak (S/Dh), maka semakin besar pula kapasitas daya dukungnya. d. Pada metode individual bearing semakin besar rasio jarak (S/Dh), maka nilai daya dukungnya semakin kecil. e. Nilai kapasitas daya dukung metode cylindrical shear dihasilkan dari penjumlahan nilai daya dukung ujung, daya dukung selimut tiang, dan daya dukung silinder. f. Nilai kapasitas daya dukung pada metode individual bearing dihasilkan dari nilai daya dukung ujung yang berdasarkan jumlah helix lalu jumlahkan dengan nila daya dukung selimut. DAFTAR RUJUKAN Clayton, D. J. (2005) Basic Helical Screw Pile Design ECP Torque Anchor Brand of Helical Screw Piles, Texas. Barbour, S.L., Bathurst, R.J., Boone, S., Brachman, R.W.I, Brockbank, B., Diederichs, M., El Naggar, M.H., Fannin., Fredlund, D., Howie., Hutchinson., Konrad, J.M., Leroueil S., Novakowski, K., and Shang. (2006) Canadian Foundation Engineering Manual 4 th Edition, Canadian Geotechnical Society, Barbara Goulet, Alberta. Reka Racana - 11

12 Aryanata, A., Hamdhan, I.N. Bund, T., (2013) Numerical Modeling of Single Helical Pile Behavior under Compressive Loading in Sand Electronic Journal of Geotechnical Engineering, vol 18 pp Perko, H. A. (2009) Helical Piles: Bearing Capacity. John Wiley and Sons, Inc, pp Rao, N. S. V. K. (2011). Foundation Design : Theory and Practice. John Wiley Sons (Asia), Singapore. PLAXIS b.v. (2013), PLAXIS Anniversary Edition, PLAXIS BV, Netherlands. Sego, D. C. and Tappenden Kristen M. (2007). Predicting The Axial Capacity Of Screw Piles Installed In Canadian Soils OttawaGeo2007 Journal, pp Winterkorn, H. F., and Fang, H. Y, Ed. (1975). Foundation engineering handbook, Van Nostrand Reinhold Company, New York, 751 pp. Mitsch, M.P., and Clemence, S.P. (1985). Uplift capacity of anchor foundations in soil, ASCE, pp Reka Racana - 12