EVALUASI MEKANISTIK DESAIN PERKERASAN LENTUR BINA MARGA NOMOR 02/M/BM/2013 TERHADAP PEMBEBANAN DAN MODULUS LAPISAN TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Penyelesaian Pendidikan Sarjana Teknik Sipil LUTHFI PRATAMA 10 0404 055 BIDANG STUDI TRANSPORTASI DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2015
ABSTRAK Kementrian Pekerjaan Umum Direktorat Jendral Bina Marga mengeluarkan Manual Desain Perkerasan Jalan Nomor 02/M/BM/2013 sebagai acuan tambahan para perencana jalan. Manual ini menyajikan bagan desain yang berisi repetisi lalulintas, material perkerasan serta tebal perkerasan sebagai desain awal. Desain awal yang dihasilkan dari bagan desain ini tidak bisa langsung digunakan, diperlukannya analisa mekanistik untuk mengevaluasi terhadap aspekaspek dari kondisi yang mempengaruhi suatu struktur perkerasan jalan seperti pembebanan dan property material. Bagan desain 3 Manual Desain Perkerasan Jalan Nomor 02/M/BM/2013 yang dievaluasi pada tugas akhir ini dengan kondisi tanah dasar normal dengan variasi CBR 2.5%,3%,4%,5% dan 6%. Desain perkerasan tersebut akan dievaluasi terhadap pembebanan dan modulus elastisitas dengan menggunakan program perhitungan mekaistik KENPAVE untuk mendapatkan respon struktur perkerasan yaitu regangan yang kemudian akan disubstitusikan kedalam transfer fungtion untuk mendapatkan umur yang dapat dicapai perkerasan tersebut sebelum terjadinya retak (fatigue) dan alur (rutting). Hasil evaluasi menunjukkan bahwa beberapa desain perkerasan telah memenuhi repetisi rencana yang disajikan oleh Bina Marga. Evaluasi terhadap pembebanan dapat dijadikan acuan dalam menetapkan toleransi beban berlebih pada suatu struktur perkerasan, sedangkan perubahan modulus elastisitas lebih mempengaruhi umur alur (rutting) dari pada retak (fatigue). Selain itu juga dapat diamati sensitifitas desain perkerasan terhadap tebal lapisan tertentu. Kata Kunci: Perkeraan Lentur, Bina Marga 2013, KENPAVE i
KATA PENGANTAR Saya bersyukur atas rahmat Allah SWT yang telah memberi kemudahan kepada saya untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan judul: EVALUASI MEKANISTIK DESAIN PERKERASAN LENTUR BINA MARGA NOMOR 02/M/BM/2013 TERHADAP PEMBEBANAN DAN MODULUS LAPISAN serta sholawat dan salam kepada nabi Muhammad SAW. Dengan tulus dan kerendahan hati saya sampaikan hormat dan terimakasih serta penghargaan sebesar-besarnya kepadaa bapak Ir. Zulkarnain A. Muis, M. Eng.Sc sebagai pembimbing yang senantiasa meluangkan waktu untuk membimbing, mengarahkan dan memotivasi saya dalam menyelesaikan tugas akhir ini. Rasa hormat dan terimakasih juga penulis tujukan kepada: 1. Teristimewa kedua Orang Tua saya, atas setiap dukungan, doa dan pengorbanannya dalam masa perkuliahan 2. Bapak Prof. Dr. Ing. Johanes Tarigan ketua Departemen Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara 3. Bapak Ir. Syahizal, Mt, selaku seketaris Departemen Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara 4. Bapak Ir. Indra JayaPandia, M.T, dan Bapak Ir. Joni Hariato sebagai pembanding/penguji yang telah memberikan masukan dan kritikan yang membangun dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini 5. Bapak Ibu dosen staff pengajar yang telah membekali saya dengan ilmu hingga selesainya Tugas Akhir ini ii
6. Kakak Drg.Opi Akana yang telah bersedia meminjamkan dengan ikhlas leptopnya kepada saya saat leptop saya rusak ditengah-tengah pengerjaan Tugas Akhir ini. 7. Seluruh teman-teman Teknik Sipil USU 2010. Khususnya Febrianti boru Regar, Williatun boru Nst, Sarifa, Taslimah boru Lbs, Kopipah, Hardiati, Yuda Gelo, Uus, Erol, Daka, Rizkan terimakasih atas dukungan dan semangatnya Tugas Akhir ini masih jauh dari kata sempurna, oleh karna itu saya sangat membuka diri terhadap saran dan kritikan untuk menyempurnakan Tugas Akhir ini. Semoga tugas akhir ini memberikkan manfaat bagi pengembangan imu pengetahuan khususnya dilingkungan Teknik Sipil USU Medan, Juli 2015 Hormat saya Luthfi Pratama 10 0404 055 iii
DAFTAR ISI ABSTRAK...i KATA PENGANTAR...ii DAFTAR ISI...iv DAFTAR TABLE...viii DAFTAR GAMBAR...xii DAFTAR GRAFIK...xiv BAB I PENDAHULUAN I.1 Umum...1 I.2 Latar Belakang...2 I.3 Perumusan Masalah...4 I.4 Tujuan dan Manfaat...4 I.5 Batasan Masalah...5 I.6 Literatur Review...6 I.6.1 Beban Berlebih...6 -Pengertian Beban Berlebih...6 -Konsep Dasar Beban Berlebih...7 I.6.2 Modulus Elastisitas...13 -Pengujian Modulus Lapisan...13 -Faktor yang Pengaruhi Modulus...14 I.7 Metodelogi...16 I.8 Sistematika Penilisan...19 iv
BAB II MANUAL DESAIN PERKERASAN JALAN LENTUR 2013 II.1 Umum...20 II.2Umur Rencana...26 II.3 Lalulintas...29 II.3.1Volume Lalulintas...29 II.3.2 Faktor Pertumbuhan Lalulintas...30 II.3.3 Faktor Lajur...31 II.3.4 Perkiraan Faktor Ekivalen Beban...32 II.4 Beban Lalulintas...36 II.4.1.Beban lalulintas Standard...36 II.4.2.Pengendalian beban Sumbu...36 II.4.3.Beban Sumbu Standard Komulatif...36 II.5 Desain Pondasi Jalan...37 II.6 Prosedur Desain...39 II.7 Contoh Desain...42 BAB III Metode Mekanistik Empirik III.1 Umum...48 III.2 Tegangan dan Renggangan pada Perkerasan Lentur...49 III.3 Para Meter Desain...53 III.3.1.Modulus Elastisitas...53 III.3.2.Poisson s Ratio...57 III.3.3.Tebal Lapisan...60 III.3.4.Pembebanan...61 v
III.4 Analisa Kerusakan...63 III.4.1.Retak (fatigue)...63 III.4.2Alur (rutting)...65 III.4.3Titik Kritis...66 III.5 Program KENPAVE...67 III.6 KENLAYER...70 III.7 Pemodelan Perkerasan dan Pembebanan...76 III.8 Proses Running dan Output program...77 BAB.IV.Hasil dan Pembahasan IV.1 Desain Perkerasan...79 IV.2 Evaluasi Desain Perkerasan...81 IV.2.1 Pembebanan...81 IV.2.2 Modulus Elastisitas...81 IV.2.3 Program KENPAVE...82 Proses Input Data...83 Proses Output Data...86 IV.3 Hasil Evaluasi...89 IV.3.1 Perkerasan f1...90 IV.3.2 Perkerasan f2...93 IV.3.3 Perkerasan f3...96 IV.3.4 Perkerasan f4...99 IV.3.5 Perkerasan f5...102 IV.3.6 Perkerasan f6...105 IV.3.7 Perkerasan f7...108 vi
IV.3.8 Perkerasan f8...111 IV.4 Pembahasan Hasil Evaluasi...114 IV.4.1 Kondisi Normal...114 IV.4.2 Kondisi Beban Berlebih...115 IV.4.3 Kondisi Perubahan Modulus...117 IV.4.4 Sensitifitas terhadap Tebal Lapisan...117 IV.4.4.1 Sensitifitas terhadap Tebal Timbunan...118 IV.4.4.1 Sensitifitas terhadap Tebal LPA...118 IV.4.4.1 Sensitifitas terhadap Tebal AC-BC...119 IV.4.4.1 Sensitifitas terhadap Tebal AC-WC & AC-BC...120 BABV. Kesimpulan dan Saran V.4 Kesimpulan...121 V.4 Saran...122 Daftar Pustaka vii
DAFTAR TABEL Tabel 1.1 Dimensi dan Sumbu Terberat Maksimum...7 Tabel 1.2 Muatan Sumbu Terberat Beberapa Negara...9 Tabel 1.3 Modulus Lapangan VS Modulus Laboraturium...16 Tabel 1.4 Desain yang Akan Dianalisa...17 Tabel 2.1 Ketentuan Pertimbangan Desain Perkerasan...26 Tabel 2.2 Umur Rencana Perkerasan Jalan Baru (UR)...27 Tabel 2.3 Contoh Penghematan Peningkatan Umur Rencana...23 Tabel 2.4 Faktor Pertumbuhan Lalulintas (i) Minimum...31 Tabel 2.5 Faktor Pertumbuhan Lalulintas...32 Tabel 2.6 Pengumpulan Data Beban Lalulintas...34 Tabel 2.7 Nilai VDF Standard...35 Tabel 2.8 Solusi Desain Pondasi Jalan Minimum...41 Tabel 2.9...41 Desain Perkerasan Lentur Opsi Biaya Optimum Termasuk CTB Tabel 2.10 Contoh Rekapitulasai Penentuan Nilai CESA...45 Tabel 3.1 Modulus Elastisitas Tipikal...54 Tabel 3.2 Besaran Modulus Young s Material Perkerasan...55 Tabel 3.3 Modulus Elastisitas Literatur yang Tersedia...55 Tabel 3.4 Modulus Tipikal Bina Marga...56 Tabel 3.5 Besar Pengurangan Modulus terhadap Tebal Lapis Atas...56 Tabel 3.6...57 Modulus Elastisitas yang Digunakan dalam Analisa Mekanistik viii
Tabel 3.7 Poissons Ratio Literatur 8 & 7...58 Tabel 3.8 Poisson s Ratio...58 Tabel 3.9 Poisson s Ratio Bina Marga...59 Tabel 3. 10...59 Poisson s Ratio yang Digunakan dalam Analisa Mekanistik Table 3.11...64 Model Kegagalan Retak (Fatigur Cracking) Beberapa oleh Organisasi Table 3.12 Model Alur (Rutting) Beberapa Organisasi...66 Tabel 4.1 Perkerasan yang akan Dievaluasi...79 Tabel 4.3...90 Umur Retak dan Alur Perkerasan f1 dalam Kondisi Beban Standard Tabel 4.4...91 Umur Retak dan Alur Perkerasan f1 dalam Kondisi Beban 125 Psi - 200 Psi Tabel 4.5...92 Umur Retak dan Alur Perkerasan f1 dalam Kondisi Modulus -10% dan +10% Tabel 4.6...93 Umur Retak dan Alur Perkerasan f2 dalam Kondisi Beban Standard Tabel 4.7...94 Umur Retak dan Alur Perkerasan f2 dalam Kondisi Beban 125 Psi - 200 Psi Tabel 4.8...95 Umur Retak dan Alur Perkerasan f2 dalam Kondisi Modulus -10% dan +10% Tabel 4.9...96 Umur Retak dan Alur Perkerasan f3 dalam Kondisi Beban Standard ix
Tabel 4.10...97 Umur Retak dan Alur Perkerasan f3 dalam Kondisi Beban 125 Psi -200 Psi Tabel 4.11...98 Umur Retak dan Alur Perkerasan f3 dalam Kondisi Modulus -10%dan+10% Tabel 4.12...99 Umur Retak dan Alur Perkerasan f4 dalam Kondisi Beban Standard Tabel 4.13...100 Umur Retak dan Alur Perkerasan f4 dalam Kondisi Beban 125 Psi -200 Psi Tabel 4.14...101 Umur Retak dan Alur Perkerasan f4 dalam Kondisi Modulus -10% dan +10% Tabel 4.15...102 Umur Retak dan Alur Perkerasan f5 dalam Kondisi Beban Standard Tabel 4.16...103 Umur Retak dan Alur Perkerasan f5 dalam Kondisi Beban 125 Psi - 200 Psi Tabel 4.17...104 Umur Retak dan Alur Perkerasan f5 dalam Kondisi Modulus -10% dan +10% Tabel 4.18...105 Umur Retak dan Alur Perkerasan f6 dalam Kondisi Beban Standard Tabel 4.19...106 Umur Retak dan Alur Perkerasan f6 dalam Kondisi Beban 125 Psi - 200 Psi Tabel 4.20...107 Umur Retak dan Alur Perkerasan f6 dalam Kondisi Modulus -10% dan +10% Tabel 4.21...108 Umur Retak dan Alur Perkerasan f7 dalam Kondisi Beban Standard x
Tabel 4.22...109 Umur Retak dan Alur Perkerasan f7 dalam Kondisi Beban 125 Psi - 200 Psi Tabel 4.23...110 Umur Retak dan Alur Perkerasan f7 dalam Kondisi Modulus -10% dan +10% Tabel 4.24...111 Umur Retak dan Alur Perkerasan f8 dalam Kondisi Beban Standard Tabel 4.25...112 Umur Retak dan Alur Perkerasan f8 dalam Kondisi Beban 125 Psi - 200 Psi Tabel 4.27 Sensitifitas terhadap Tebal Timbunan f2 & f3...118 Tabel 4.28 Sensitifitas terhadap Tebal LPA f1 & f2...118 Tabel 4.29 Sensitifitas terhadap Penambahan 20cm AC-BC...119 Tabel 4.30 Sensitifitas terhadap Penambahan 30cm AC-BC...119 Tabel 4.31 Sensitifitas terhadap Penambahan 50cm AC-BC...119 Tabel 4.26 Sensitifitas terhadap Tebal AC-WC & AC-BC...120 xi
DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Grafik Beban Diizinkan VS Beban Aktual...8 Gambar 1.2...12 Diagram Konsep dasar Beban Berlebih Secara Teknis dan Mekanis Gambar 1.3 Universal Materials Testing Apparatus...13 Gambar 1.4 Falling Weight Deflectometer...14 Gambar 1.5 Grafik Modulus terhadap Temperatur...15 Gambar 1.6 Diagram Flowchart Pengerjaan Tugas Akhir...18 Gambar 2.1 Distribusi Baban Perkerasan...21 Gambar 3.1...51 Perkerasan dengan Pembebanan Tunggal, Respons Struktur, dan Material Properties Gambar 3.2 Odemark s Transformation of Layer System...52 Gambar 3.3 Kurva Tegangan Regangan...53 Gambar 3.4 Poission s Ratio...57 Gambar 3.5 Distribusi Pembebanan Perkerasan Lentur...60 Gambar 3.6 Sumbu Tunggal Roda Ganda...62 Gambar 3.7 Pemodelan Pembebanan saat Analisa Mekanistik...62 Gambar 3.8 Tititk kritis yang akan Dianalisa...67 Gambar 3.9 Tampilan Utama Program KENPAVE...68 Gambar 3.10 Tampilan LAYERINP...71 Gambar 3.11 Tampilan Menu General...71 Gambar 3.13 Tampilan Menu ZCoord...73 Gambar 3.14 Tampilan Menu Layer...74 xii
Gambar 3.15 Tampilan Menu Interface...74 Gambar 3.16 Tampilan Menu Moduli...75 Gambar 3.17 Tampilan Menu Load...76 Gambar 4.1 Penggunaan Bagan Desain Perkerasan Lentur...76 Gambar 4.2 Desain Perkerasan f1 dengan CBR 3%...80 Gambar 4.3...81 Model Perkerasan f1; CBR 3% Evaluasi terhadap Pembebanan Gambar 4.4...82 Model Perkerasan f1; CBR 3% Evaluasi terhadap Modulus Gambar 4.5 Menu General Perkerasan f1; CBR 3%...83 Gambar 4.6 Menu Zcoord Perkerasan f1; CBR 3%...83 Gambar 4.7 Menu Layers Perkerasan f1; CBR 3%...84 Gambar 4.8 Menu Moduli Perkerasan f1; CBR 3%...84 Gambar 4.9 Menu Load Perkerasan f1; CBR 3%...85 Gambar 4.10 Menu Titik Kritis Perkerasan f1; CBR 3%...85 Gambar 4.11 Menu Utama Layerinp Perkerasan f1; CBR 3%...86 Gambar 4.12 Menu Utama KENPAVE Perkerasan f1; CBR 3%...86 Gambar 4.13 Running Succesced Perkerasan f1; CBR 3%...87 Gambar 4.14 Menu LGRAPH Perkerasan f1; CBR 3%...87 Gambar 4.15 Output Data Perkerasan f1; CBR 3%...88 xiii
DAFTAR GRAFIK Grafik 4.1 Regangan Tarik (et) dan Tekan (ev) Perkerasan f1...90 Grafik 4.2...90 Umur Retak (Nf) dan Alur (Nd) Perkerasan f1 Kondisi Beban Standard Grafik 4.3...91 Pengaruh Pembebanan Berlebih terhadap Umur Retak dan Alur Perkerasan f1 Grafik 4.4...92 Pengaruh Perubahan Modulus terhadap Umur Retak dan Alur Perkerasan f1 Grafik 4.5 Regangan Tarik (et) dan Tekan (ev) Perkerasan f2...93 Grafik 4.6...93 Umur Retak (Nf) dan Alur (Nd) Perkerasan f2 Kondisi Beban Standard Grafik 4.7...94 Pengaruh Pembebanan Berlebih terhadap Umur Retak dan Alur Perkerasan f2 Grafik 4.8...95 Pengaruh Perubahan Modulus terhadap Umur Retak dan Alur Perkerasan f2 Grafik 4.9 Regangan Tarik (et) dan Tekan (ev) Perkerasan f3...96 Grafik 4.10...96 Umur Retak (Nf) dan Alur (Nd) Perkerasan f3 Kondisi Beban90 Standard Grafik 4.11...97 Pengaruh Pembebanan Berlebih terhadap Umur Retak dan Alur Perkerasan f3 Grafik 4.12...98 Pengaruh Perubahan Modulus terhadap Umur Retak dan Alur Perkerasan f3 Grafik 4.13 Regangan Tarik (et) dan Tekan (ev) Perkerasan f4...99 xiv
Grafik 4.14...99 Umur Retak (Nf) dan Alur (Nd) Perkerasan f4 Kondisi Beban Standard Grafik 4.15...100 Pengaruh Pembebanan Berlebih terhadap Umur Retak dan Alur Perkerasan f4 Grafik 4.16...101 Pengaruh Perubahan Modulus terhadap Umur Retak dan Alur Perkerasan f4 Grafik 4.17 Regangan Tarik (et) dan Tekan (ev) Perkerasan f5...102 Grafik 4.18...102 Umur Retak (Nf) dan Alur (Nd) Perkerasan f5 Kondisi Beban Standard Grafik 4.19...103 Pengaruh Pembebanan Berlebih terhadap Umur Retak dan Alur Perkerasan f5 Grafik 4.20...104 Pengaruh Perubahan Modulus terhadap Umur Retak dan Alur Perkerasan f5 Grafik 4.21 Regangan Tarik (et) dan Tekan (ev) Perkerasan f6...105 Grafik 4.22 Umur Retak (Nf) dan Alur (Nd) Perkerasan f6 Kondisi Beban Standard...105 Grafik 4.23...106 Pengaruh Pembebanan Berlebih terhadap Umur Retak dan Alur Perkerasan f6 Grafik 4.24 Perbesaran dari Grafik 4.23 terhadap Umur Retak...106 Grafik 4.25...107 Pengaruh Perubahan Modulus terhadap Umur Retak dan Alur Perkerasan f6 Grafik 4.26 Regangan Tarik (et) dan Tekan (ev) Perkerasan f7...108 Grafik 4.27...108 Umur Retak (Nf) dan Alur (Nd) Perkerasan f7 Kondisi Beban Standard xv
Grafik 4.28...109 Pengaruh Pembebanan Berlebih terhadap Umur Retak dan Alur Perkerasan f7 Grafik 4.29...110 Pengaruh Perubahan Modulus terhadap Umur Retak dan Alur Perkerasan f7 Grafik 4.30 Regangan Tarik (et) dan Tekan (ev) Perkerasan f8...111 Grafik 4.31...111 Umur Retak (Nf) dan Alur (Nd) Perkerasan f8 Kondisi Beban Standard Grafik 4.32...112 Pengaruh Pembebanan Berlebih terhadap Umur Retak dan Alur Perkerasan f8 Grafik 4.33 Perbesaran Grafik 4.32 terhadap Umur Retak...112 Grafik 4.34...113 Pengaruh Perubahan Modulus terhadap Umur Retak dan Alur Perkerasan f8 Grafik 4.35 Contoh Kontrol Toleransi Beban Berlebih...116 xvi