Bab VI Model Makroskopis Bonding Antar Lapis Perkerasan Beraspal Hasil Percobaan Direct Shear VI.1 Pengertian Model Makroskopis Bonding Antar Lapis Perkerasan Beraspal Model makroskopis adalah model yang melibatkan besaran-besaran yang diukur dalam skala makro dan garis besar tekait prilaku suatu parameter yang ditinjau dengan suatu variasi tertentu. Untuk model makroskopis bonding antar lapis perkerasan, sangat baik diturunkan dari data yang dihasilkan dari percobaan Direct Shear dengan beban normal yang konstan (zero normal stiffness). Karena tegangan normal bersifat konstan, hubungan antara tegangan geser dan perpindahan gesernya akan secara mudah diformulasikan dan dianalisis. (Romanoschi dan Metcalf, 2001). Romanoschi dan Metcalf (2001) mengeluarkan model makroskopis dalam bentuk suatu kurva seperti terlihat pada Gambar VI.1 Gambar VI.1 Model Makroskopis dari interface antar lapisan beraspal (Romanoschi dan Metcalf, 2001) Model makroskopis yang diusulkan disebut dengan Model Dua Tahap, yaitu tahap pertama adalah tahap dimana shear displacement proporsional dengan shear stress sesuai dengan kaidah Goodman, derajat kemiringannya disebut Interface Reaction Modulus (K). Pada tahap pertama ini, shear stress akan terus meningkat sampai interface mengalami keruntuhan, shear stress maksimum pada saat runtuh disebut 110
Shear Srength (Smax). Tahap yang kedua adalah tahap setelah interface runtuh, interaksi antar lapis perkerasannya digambarkan sebagai Simple Friction yang diparameterkan dengan koefisien gesekan, mu. Oleh karena itu Model Dua Tahap ini mempunyai tiga paramater, yaitu : K, S max dan mu. Percobaan Direct Shear Test sudah dilakukan dan hasilnya telah disajikan pada Bab IV dan Bab V. Setiap hasil pengujian dibuat kurva shear stress- displacement nya yang secara lengkap dapat dilihat pada Lampiran A. Model makroskopis yang akan dikembangkan ini sebagian besar didasarkan atas intrepretasi dari kurva shear stressdisplacement ini. VI.2 Kurva Shear Stress-Displacement Sebelum kita memodelkan secara makroskopis kondisi bonding antar perkerasan beraspal, berbagai macam analisis telah dilakukan oleh para peneliti sebelumnya yang dapat diuraikan sebagai berikut. Gambar VI.1 menunjukkan hasil tipikal dari Leutner test untuk interface antara lapis permukaan SMA dan binder course dari DBM dimana jumlah kadar tack coat diberikan secara normal pada interface nya (Collop et al., 2003). Hasilnya kemudian digambarkan pada grafik tegangan geser versus pergeserannya. Tegangan geser dihitung dari hasil pembagian gaya geser dengan luas penampang dari sampel pengujian. Terlihat pada Gambar VI.2, bahwa selama tahap awal pengujian, tegangan geser meningkat seiring dengan peningkatan pergeserannya. Tegangan geser kemudian mencapai puncak (shear strength) dimana interface tepat akan runtuh dan setelah itu tegangan geser menurun secara cepat sampai mencapai nol. 111
Gambar VI.2 Kurva hasil pengujian alat Leutner (Collop et al. 2003) Terlihat dari Gambar VI.2 beberapa parameter dapat didefinisikan dari pengujian tersebut. Parameter yang paling dikenal adalah tegangan geser puncak (shear strength) T p dan pergeseran terkait U p. Pada suatu tingkat tegangan sebelum runtuh parameter tanget shear reaction modulus dapat dihitung dari data yang dihasilkan. Bagaimanapun karena bentuk kurva adalah non linier, adalah tidak mungkin untuk menghitung suatu nilai yang unik. Konsekuensinya tangent shear reaction modulus, K T telah dihitung yang biasanya terjadi pada tingkat pergeseran kurang dari 1 mm. Sutanto et al. (2006), menggunakan Direct Shear Test seperti pada Gambar VI.3 dengan shear box yang dilengkapi dengan LVDT dan beban normal 253 kpa. Hasil pengujian ini secara tipikal dapat dilihat pada Gambar 2, dimana penentuan Bond Stiffness nya menggunakan bagian liniear dari kurva yang didapat dari hasil pengujian dan yang terjadi biasanya pada displacement kurang dari 1mm. 112
Gambar VI.3 Shear Box Test (Sutanto et al., 2006) Gambar VI.4 Kurva Shear Stress Displacement (Sutanto et al, 2006) Uzan et al. (1978) melakukan penelitian laboratorium guna menyelidiki mechanical properties interface antar lapis perkerasan beraspal. Sampel yang dibuat di laboratorium diuji terhadap dua temperatur 25 o C dan 55 o C dan lima macam beban normal yaitu 0, 50, 100, 250 dan 500 kpa. Hasil pengujiannya secara tipikal terlihat pada Gambar VI.5 dimana jejak hasil pengujian didekati dengan suatu persamaan 113
garis tertentu. Interface reaction modulus dihitung pada pada relative displacement 0,13mm, dengan pertimbangan lebih representatif terhadap prilaku perkerasan lentur pada pergesaeran yang sangat kecil. Gambar VI.5 Hasil Pengujian Direct Shear (Uzan et al., 1978) 114
0.7 Kmax AG21-2 K Shear Stress (MPa) 0.4 y = 0.9613x + 0.0085 y = 0.0202x 5-0.1819x 4 + 0.6143x 3-1.083x 2 + 1.1753x - 9E-05 max(2.034, 0.669) 0.0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Displacement (mm) Gambar VI.6 Contoh Kurva Shear Stress-Displacement hasil pengujian Direct Shear Dari berbagai macam pendekatan yang telah dilakukan oleh para peneliti sebelumnya, maka dalam penentuan Bond Stiffness menggunakan berbagai macam pertimbangan : a. Karena kurva Shear Stress-Displacement adalah non liniear maka tidak mungkin mendapatkan nilai yang unik dari Bond Stiffness, nilai Bond Stiffness ini kemungkinannya berada pada nilai K max sebagai tangent shear reaction modulus dan nilai K sebagai secant shear reaction modulus, lihat Gambar VI.6 b. Menggunakan kurva pendekatan apabila jejak hasil pengujiannya tidak smooth c. Menggunakan bagian liniear dari kurva sebelum titik shear strength nya d. Bagian linier ini biasanya terjadi pada displacement kurang dari 1 mm e. Menggunakan nilai maksimum dari Bond Stiffness yang ada 115
VI. 3 Model Makroskopis Bonding dan Parameternya Untuk memodelkan secara makroskopis hasil dari percobaan Direct Shear Test, tinjau kurva Shear Stress-Displacement yang dianggap dapat mewakili hasil percobaan tersebut seperti yang terlihat pada Gambar VI.7 Pada kurva tipikal ini dapat dibagi menjadi dua segmen dan tiga titik kritis yaitu segmen AB yang disebut segmen initial dan segmen BC yang disebut segmen lanjutan; serta titik A, B dan C. 2.2 1.9 STA 30+195 COWT y = 0.0404x 4-0.3449x 3 + 0.6328x 2 + 0.6155x + 0.0441 max(2.32, 1.742) K min y = 1.0398x - 0.0507 Shear Stress (MPa) 1.5 1.1 0.7 B K max C 0.4 A 0.0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Displacement (mm) Gambar VI.7 Kurva Tipikal Hasil Pengujian Direct Shear Titik A adalah titik permulaan kurva. Pada awal pengujian Direct Shear, permulaan dial pergeseran diatur sebelum titik nol sebesar 0,02 mm untuk mengantisipasi masih adanya rongga antar sampel dan kotak geser. Jika rongga ini masih ada maka segmen AB akan terjadi. Jika rongga ini tidak ada segmen kurva langsung dimulai dengan 116
segmen BC. Titik B adalah titik belok segmen AB ke segmen BC. Pada segmen BC interface shear reaction modulus atau Bond Stiffness berada pada nilai K sebagai secant modulus dan nilai K max sebagai tangent modulus nya. Dalam studi ini nilai K max yang dipakai adalah bagian liniear pada segmen BC yang biasanya terjadi pada pergeseran kurang dari 1 mm (Collop et al., 2003 ; Uzan et al., 1978). Pada segmen BC shear stress akan terus meningkat seiring dengan meningkatnya pergeseran sampai mencapai nilai maksimum di titik C. Pada titik C sampel tepat mulai mencapai keruntuhan dan setelah titik C shear stress akan mengalami penurunan dan displacement terus berlanjut. Nilai shear stress maksimum pada titik C ini diparameterkan dengan nilai Bond Strength. Segmen setelah titik C tidak diobservasi lebih lanjut pada penelitian ini karena keterbatasan alat Direct Shear dalam mengukur perilaku sampel setelah terjadi keruntuhan pada interfacenya. Dari uraian diatas dapat digambarkan model makroskopis dari bonding antar perkerasan beraspal hasil pengujian Direct Shear seperti yang terlihat pada Gambar VI.8 Gambar VI.8 Model makroskopis Bonding antar perkerasan beraspal hasil pengujian Direct Shear 117
Seperti yang terlihat pada Gambar VI.8 terdapat dua parameter yang menggambarkan kondisi bonding antar lapis perkerasan, yaitu Bond Stiffness (K) dan Bond Strength (BS). Untuk setiap pengujian Direct Shear tidak didapatkan nilai yang unik untuk parameter Bond Stiffness ini, tetapi berada pada rentang K min dan K max. K min adalah nilai modulus sekan dari dua titik yang ditinjau yaitu titik O dan titik BS, sehingga nilainya adalah sebesar K min = (τ max /Δu) atau K min merupakan nilai tan(α 1 ). Sedangkan nilai K max adalah modulus tangen dari bagian linier pada segmen kurva untuk pergeseran kurang dari 1 mm, nilai K max adalah sebesar tan(α 2 ). Nilai-nilai Bond Stiffness dari penelitian mengambil nilai K max ini. Berbeda dengan Bond Stiffness, untuk parameter Bond Strength (BS) mempunyai nilai yang unik untuk setiap pengujian Direct Shear. Berdasarkan model makroskopis pada Gambar VI.8 parameter Bond Strength merupakan nilai shear stress maksimum yang didapat dari pengujian Direct Shear, yaitu BS = τ max. Kurva pengujian Direct Shear setelah melewati titik BS ini selanjutnya mengalami penurunanan yang mungkin sampai mencapai shear stress yang nilainya nol. Untuk segmen setelah titik BS ini tidak diinvestigasi dalam penelitian ini karena keterbatasan alat Direct Shear dalam membaca nilai shear stress setelah failure tercapai. Dari uraian diatas terdapat dua parameter yang menggambarkan kondisi daya lekat antar lapis perkerasan beraspal, yaitu Bond Stiffness dan Bond Strength. Model matematis Bond Stiffness seperti yang telah diuraikan pada subbab II.2 merupakan penurunan dari model konstitutif dari Goodman (Goodman Model) yang menyebutkan bahwa shear displacement atau pergeseran relatif dari dua lapis material pada interfacenya adalah proporsional dengan shear stress, seperti yang terlihat pada persamaan VI.1 K s = τ Δu (VI.1) 118
Nilai-nilai kedua parameter ini untuk setiap sampel yang diuji dengan Direct Shear pada penelitian ini telah direpresentasikan pada Bab V dan Bab VI. Nilai-nilai ini jika dibandingkan dengan nilai yang didapat oleh para peneliti sebelumnya dapat dilihat Tabel VI.1 Tabel VI.1 Perbandingan Nilai Bond Strength dan Bond Stiffness No Peneliti Bond Strength (MPa) Bond Stiffness (MPa/m) Displacement Rate (mm/min) 1 Romanoschi 0,5 2,5 200 1.200 2,5 2 Uzan 0,3 0,75 400 2.000 0,04 Alat Direct Shear Direct Shear 3 Sutanto 0,44 1,32 500 1.000 50 Leutner 4 Raab 1,3 (mean) 700 (mean) 50,8 LPDS 5 Hariyadi 0,5 1,7 450 1.000 1 Direct Shear Referensi Romanoschi dan Metcalf, 2001 Uzan et al., 1978 Sutanto et al. 2006 ; Collop, et al.,2003 Rabb dan Partl, 1999 Studi ini Terlihat pada Tabel VI.1 rentang nilai-nilai Bond Strength dan Bond Stiffness yang didapat dari studi ini tidak berbeda jauh dengan para peneliti sebelumnya. Hal ini menunjukkan bahwa penelitian yang sudah dilakukan untuk menghasilkan parameterparameter kondisi bonding ini sudah berada pada kerangka yang dapat dipertanggung jawabkan secara akademis. Perbedaan kecil yang terjadi mungkin disebabkan karena perbedaan gradasi dan kadar aspal dari lapis beraspalnya, serta jenis dan kuantitas dari material tack coatnya. Selain itu, perbedaan dalam tingkat pergeseran (rate of displacement) pada saat pengujian juga mempunyai kontribusi terhadap perbedaan ini (Sutanto et al., 2007) 119
VI.4 Verifikasi nilai Bond Stiffness hasil percobaan Direct Shear dengan pendekatan elemen hingga menggunakan program SAP2000 Untuk melakukan analisis nilai Bond Stiffness yang dihasilkan oleh pengujian Direct Shear, percobaan Direct Shear ini dimodelkan dengan metoda elemen hingga yang secara skematik kotak gesernya terlihat pada Gambar VI.9 F Gambar VI.9 Skematik Kotak Geser Dari skematik kotak geser seperti yang terlihat pada Gambar VI.7 dapat dibuat meshing elemen hingganya dengan bantuan Program SAP2000 menggunakan elemen SOLID seperti yang terlihat pada Gambar VI.10. Gambar VI.10 Meshing Sampel Direct Shear Test 120
Kemudian dipersiapkan sebuah sampel (fully fabricated) yang mewakili seluruh sampel yang diuji pada penelitian ini. Jenis sampel yang akan dianalisis dengan metode elemen hingga ini terlihat pada Tabel VI.2 Tabel VI.2 Jenis Sampel yang diuji Direct Shear dan Metoda Elemen Hingga No Uraian Jenis dan Level 1 Lapisan Atas AC-WC 2 Lapisan Bawah AC-BC 3 Tack coat 4 Suhu Pengujian CSS-1 0,2 ltr/m 2 28 o C Dari hasil pengujian Direct Shear seperti yang terlihat pada Tabel VI.4, tekanan horizontal yang merupakan hasil bacaan dial proving ring dimasukkan kedalam Program SAP2000 sebagai tekanan F seperti yang terlihat pada Gambar VI.9. Input parameter untuk program SAP2000 dapat dirangkum pada Tabel VI.3 Tabel VI.3 Nilai paramater input untuk Program SAP2000 No Input Parameter Nilai Keterangan 1 2 3 4 Modulus Elastisitas Lapisan Atas (MPa) Modulus Elastisitas Lapisan Bawah (MPa) Modulus Elastisitas Thin Layer (MPa) Tekanan Horizontal F (MPa) 2.661 3.218 2,35 bervariasi sesuai bacaan dial proving ring Hasil UMATTA Test Hasil UMATTA Test Hasil Direct Shear Test Hasil Direct Shear Test 121
Nilai modulus elastisitas thin layer pada Tabel VI.3 nomor 3 didapat dari nilai Bond Stiffness hasil pengujian Direct Shear sebesar 904,2 MPa/m seperti terlihat pada Gambar VI.9. Nilai ini kemudian dikonversi menjadi modulus elastisitas dengan persamaan VI.1 dari Timoshenko (1986) : E G = 2(1 + υ) (VI.2) E = 2 G ( 1+υ ) E = 2 x Ks x t x ( 1+υ ) E=2 x 904,2 x 0,001 x (1+0,3) = 2,35 MPa.. G adalah shear modulus yang didapat dari nilai Bond Stiffness dikalikan tebal thin layer sebesar 1 mm. Dengan nilai poisson ratio sebesar 0,3 maka nilai E adalah sebesar 2,35 MPa. No Tabel VI.4 Hasil Program SAP2000 memakai data hasil Direct Shear Test Dial Proving Ring Hasil Direct Shear Test Tekanan Horizontal (MPa) Shear Stress at interface (MPa) Hasil SAP2000 Horizontal Displacement at interface (micrometer) 1 10,5 0,1249 0,0932 178,3 2 22 0,2617 0,1953 277,0 3 33 0,3926 0,2930 371,4 4 43 0,5116 0,3817 457,2 5 50,5 0,6008 0,4483 521,5 6 59 0,7019 0,5238 594,4 7 67 0,7971 0,5948 663,1 8 77 0,9161 0,6836 748,9 9 86 1,0232 0,7635 826,1 10 91 1,0827 0,8078 869,0 11 96 1,1421 0,8522 911,8 12 107 1,2730 0,9499 1.006,2 13 104 1,2373 0,9232 980,5 14 105 1,2492 0,9321 989,1 15 111 1,3206 0,9854 1.040,6 16 113 1,3444 1,0031 1.057,7 17 114 1,3563 1,0120 1.066,3 122
Dengan properti material beraspal yang didapat dari test UMATTA dan modulus thin layer dari percobaan Direct Shear seperti yang sudah diuraikan tersebut, dihitung horizontal displacement pada interface dengan program SAP2000 ini. Hasilnya ditabulasi pada kolom terakhir pada Tabel VI.4. Jika hasil SAP2000 pada Tabel VI.4 diplotkan pada Grafik Shear Stress- Displacement akan terlihat pada Gambar VI.11 Gambar VI.11 Nilai Bond Stiffness hasil Direct Shear Test dan Program SAP2000 Terlihat pada Gambar VI.11 Bond Stiffness hasil SAP2000 sebesar 1.034,7 MPa/m dan Bond Stiffness hasil pengujian Direct Shear sebesar 904,2 MPa/m, maka Bond Stiffness hasil Direct Shear Test tidak berbeda jauh (sekitar 14%) dengan Bond Stiffness hasil Program SAP2000, sehingga nilai-nilai Bond Stiffness hasil percobaan Direct Shear dapat dipakai untuk analisis lebih lanjut. 123
VI.5 Analisis kondisi bonding hasil laboratorium dan hubungannya dengan kondisi bonding hasil analitis. Dari hasil percobaan di laboratorium, kondisi bonding antar lapis perkerasan beraspal dapat diparameterkan dengan Bond Stiffness dan Bond Strength. Dari analisis yang sudah dilakukan pada Bab V terkait nilai-nilai kedua parameter yang didapatkan dari percobaan di laboratorium, didapatkan dua macam kondisi bonding yaitu partial bonding dan full bonding. Semua sampel yang dibuat di laboratorium baik yang full fabricated maupun partial fabricated, menunjukkan indikasi kondisi yang partial bonding. Kondisi full bonding adalah kondisi yang ideal dari interface antar lapis perkerasan. Kondisi ini hanya dapat dicapai untuk sampel yang monolit, sehingga nilai Bond Stiffness dan Bond Strength yang didapatkan dari sampel monolit menunjukkan indikasi batas full bonding nya. Untuk kondisi partial bonding, semua nilai Bond Stiffness dan Bond Strength yang dihasilkan dari percobaan laboratorium studi ini setelah dianalisis didapatkan suatu rentang nilai yang menunjukkan kondisi derajat daya lekatnya (degree of bonding).yang dikategorikan berdasarkan jenis sampel yang diuji, yaitu fully fabricated yang kondisi bondingnya lebih rendah dari coring sampel lapangan, sehingga didapat degree of bonding untuk partial bonding mulai dari weak, medium sampai dengan strong. Pada simulasi kondisi bonding dengan cara analitis, modulus thin layer digunakan sebagai parameter yang menunjukkan kondisi bonding nya. Hasil simulasi menunjukkan adanya dua kondisi bonding, yaitu full bonding dan partial bonding, seperti yang telah ditunjukkan dalam percobaan laboratorium. Untuk kondisi partial bonding pada simulasi analitis belum dapat ditentukan derajat daya lekatnya seperti yang terlihat pada hasil laboratorium. Masih perlu pengembangan analisis simulasi terkait variasi modulus dan tebal lapisan untuk memastikan derajat daya lekat pada kondisi partial bonding ini. 124
Dua kondisi bonding yaitu full dan partial bonding inilah yang telah memberikan hubungan antara studi yang telah dilakukan di laboratorium dan simulasi analitis. Secara sederhana, hal ini dapat digambarkan hubungan antara keduanya dalam bentuk skematis seperti yang terlihat pada Gambar VI.12 Gambar VI.12 Hubungan antara kondisi bonding hasil simulasi analitis dengan pengujian laboratorium Nilai-nilai rentang kondisi bonding hasil percobaan laboratorium untuk daerah partial bonding yang terdiri dari tiga daerah (strong, medium dan weak bonding) seperti yang telah diuraikan diatas, selengkapnya dapat dilihat pada Tabel VI.5. Terlihat pada tabel tersebut nilai-nilai batas untuk tiga daerah partial bonding tidak terdapat pada simulai analitis untuk penelitian ini. Hal ini menjadi peluang untuk penelitian berikutnya sehingga dihasilkan batas-batas pada daerah partial bonding dengan pendekatan analitis seperti yang sudah didapatkan dengan pendekatan laboratorium. 125
Tabel VI.5 Batas-batas kondisi partial bonding untuk pendekatan analitis dan laboratorium Pendekatan Bonding Parameter Nilai Batas Kondisi Strong Bonding dan Medium Bonding pada daerah Partial Bonding Nilai Batas Kondisi Weak Bonding dan Medium Bonding pada daerah Partial Bonding Analitis Modulus Thin Layer N/A N/A Laboratorium Bond Stiffness Bond Strength 619 MPa/m 407 MPa/m 1,2 MPa 0,74 MPa Pemeriksaan (checking) untuk memastikan suatu kondisi bonding yang ingin dicapai pada suatu tingkat perencanaan dan evaluasi perkerasan jalan dapat dilakukan dengan coring test yang diuji Direct Shear di laboratorium. Hasil dari pengujian laboratorium ini dapat dianalisis derajat daya lekatnya seperti yang terlihat pada Gambar VI.12. Peluang untuk penelitian lanjutan adalah ke arah pengembangan metodologi yang dapat menganalisis hasil non destructive test seperti FWD sehingga dapat menjadi sarana untuk pengembangan evaluasi dari sudut analitis dan dapat digunakan sebagai pembanding terhadap hasil laboratorium. 126