BAB III METODOLOGI PENELITIAN 1.1 Umum Program EVERSERIES merupakan program komputer yang diperuntukkan dalam perencanaan overlay ataupun analisis perkerasan lentur. Program ini dikeluarkan Agustus 2005 oleh Washington State Departement of Transportation (WSDOT). Dengan tujuan umum merencanakan overlay atau menganalisis perkerasan lentur, program ini memiliki tiga bagian program di dalamnya, antara lain: 1. EVERSTRESS 2. EVERCALC 3. EVERPAVE Setiap bagian program Everseries ini menggunakan pemodelan sistem struktur multi-lapisan elastis pada perkerasan lentur, tetapi ketiganya merupakan program terpisah dan mempunyai fungsi atau hasil keluaran yang berbeda. Seperti halnya Everstress yang dikhususkan pada analisis elastisitas lapisan perkerasan. Dimana hasil keluarannya berupa besarnya nilai tegangan, regangan dan defleksi yang terjadi di dalam struktur perkerasan yang ingin ditinjau. Sedangkan Evercalc berfungsi sebagai program yang menjalankan proses backcalculation, yaitu guna menentukan nilai modulus masing-masing lapisan perkerasan.dan Everpave merupakan program kunci dimana penentuan tebal overlay terjadi disini. Sehingga hasil keluarannya berupa tebal overlay yang dibutuhkan disertai dengan prediksi nilai kerusakan yang terjadi, baik itu retak ataupun deformasi. Program ini dapat diunduh secara online di www.wsdot.wa.gov./businnes/materialslab/pavementguide.htm. III - 1
Untuk perhitungan tebal overlay perkerasan lentur dengan program Everseries, bagian program yang harus digunakan adalah Evercalc dan Everpave, sedangkan Everstress tidaklah begitu diprioritaskan penggunaanya. Hal ini memungkinkan oleh karena fungsi dari Everstress. 3.2 EVERSTRESS Seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya, bagian program dari Everseries ini bertujuan untuk menganalisis struktur perkerasan lentur dengan menggunakan pemodelan struktur sebagai multi-lapisan elastis yang menggunakan nilai modulus, nilai poisson dan ketebalan tiap lapisan untuk perhitungannya. Analisis perkerasan dari respon perkerasan berupa nilai tegangan, regangan dan defleksi ini dikembangkan oleh Waterways Experiment Station, U.S.Army Corps of Engineers (WESLEA) dalam program analisis lapisan elastis. Gambar 3.1 Tampilan Program Everstress Keterangan Gambar 3.1: Gambar menunjukkan Tampilan Program Everstress IV - 2
3.2.1 Asumsi asumsi Pendekatan pemodelan lapisan elastis ini memerlukan beberapa asumsi dalam model matematikannya. Asumsi tersebut antara lain : Lapisan perkerasan memiliki panjang arah horizontal yang tidak terbatas Lapisan terbawah (umumnya subgrade) memiliki kedalaman yang tak terbatas Material tidak mengalami tegangan yang melewati batas elastisnya 3.2.2 Respon Model Sama halnya dengan respon model yang digunakan umumnya pada metode mekanistik, demikian program everseries ini menggunakan respon tegangan, regangan dan defleksi untuk menganalisis struktur perkerasan lentur. Setiap proses iterasi yang terjadi menggunakan hubungan tegangan dan modulus dan tiap iterasi analisis perkerasan tersebut terjadi perhitungan modulus, perbandingan modulus dan penyesuaian modulus hingga didapat besarnya nilai tegangan, regangan, dan defleksi. 3.3 EVERCALC Dalam pemodelan sistem struktur perkerasan multi-lapisan, perhitungan modulus masing-masing lapisan dari struktur perkerasan eksisting/terpasang tidaklah mudah secara empiris, sehingga solusi untuk masalah ini adalah penggunaan proses iterasi. Tujuan iterasi yang dilakukan pada evercalc berbeda dengan iterasi pada everstress, dimana pada evercalc iterasi ini bertujuan mendapatkan nilai modulus lapisan. Yang menjadi penghubung dalam menentukan nilai modulus tiap lapisan IV - 3
struktur perkerasan eksisting ini adalah data lendutan hasil survey alat FWD (lendutan pengukuran) dengan lendutan yang dihitung secara teoritis oleh program (lendutan perhitungan). Dalam program ini, suatu rumusan digunakan untuk mengkontrol nilai lendutan hasil perhitungan dan pengukuran yang dinamakan dengan root meansquare (RMS). Sehingga, apabila terjadi ketidakcocokan pada hasil lendutanpengukuran dan perhitungan atau perubahan modulus tidak sesuai dengantoleransi yang diijinkan, ataupun jumlah proses iterasi telah mencapai batas akhir program, maka hal ini dikenali sebagai root mean square error (RMS error). Dan umumnya besarnya nilai RMS cukup 1 s/d 2 persen, diluar itu tidaklah dapat diterima. Demikianlah program evercalc melakukan proses iterasi sehingga hasil nilai modulus yang tidak masuk akal dapat dihindari. Gambar 3.2 Tampilan Program Evercalc Keterangan Gambar 3.2: Gambar menunjukkan Tampilan Program Evercalc IV - 4
3.4 EVERPAVE Program ini memiliki banyak parameter yang dibutuhkan dalam perhitungannya dengan pemodelan lapisan sistem struktur multi-lapisan elastis. Dan modulus hasil perhitungan program evercalc dibutuhkan sebagai masukan untuk hasil tebal overlay dengan Everpave bila nilai modulus lapisan yang digunakan didasarkan pada perolehan data lendutan di lapangan. Gambar 3.3 Tampilan Program Everpave Keterangan Gambar 3.3: Gambar menunjukkan Tampilan Program Everpave 3.4.1 Pemodelan Lapisan Perkerasan Dengan pemodelan sebagai lapisan elastis, metode ini dapat menghitung tegangan, regangan dan defleksi disetiap titik pada struktur perkerasan sebagai hasil dari aplikasi pembebanan permukaan perkerasan. Pemodelan lapisan elastis memiliki anggapan bahwa setiap lapisan struktur perkerasan homogen, isotropic, IV - 5
dan linier elastis. Untuk lapisan yang dimodelkan sebagai sistem yang homogen dan isotropis mempunyai arti bahwa nilai modulus dan nilai poisson setiap titik dalam satu lapisan memiliki harga yang sama baik dalam arah horizontal maupun vertikal. Gambar 3.4 Kriteria Lapisan Homogen dan Isotropis Keterangan Gambar 3.4: Gambar menunjukkan hubungan tegangan, regangan dan defleksi pada Kriteria Lapisan Homogen dan Isotropis 3.4.2 Pemodelan Pertemuan Antar Lapisan Pemodelan lapisan perkerasan juga tergantung pada kondisi gesekan (faktor slip) antar lapisan berbitumen. Kondisi gesekan antar lapisan ini biasanya dianggap tidak terjadi slip (no slip) antar lapisan. Pada program everseries bagian everstress, faktor slip ini ikut dipertimbangkan dalam analisis struktur perkerasan, dimana program everseries menyediakan interval nilai faktor slip dari 0 sampai 1000. Nilai 0 diberikan untuk kondisi full slip pada interface lapisan (titik pertemuan dua lapisan), nilai 1 diberikan untuk kondisi yang dianggap tidak IV - 6
terjadi slip antar lapisan, sedangkan 2-1000 diberikan untuk kondisi antar lapisan bila terjadi slip sebagian. Gambar 3.5 Kondisi pertemuan antar lapisan Keterangan Gambar 3.5: Gambar menunjukkan Kondisi pertemuan antar lapisan sesuai kondisi antar lapisan bila tejadi slip sebagian 3.4.3 Kriteria Desain Overlay Dalam mendesain overlay, yang digunakan sebagai kriteria perencanaan adalah kriteria kegagalan perkerasan. Ada dua jenis kegagalan perkerasan yaitu kegagalan fungsional dan kegagalan struktural. Kegagalan fungsional terjadi saat perkerasan suatu jalan raya tidak lagi mampu menampung lalu lintas dengan keamanan dan kenyamanan seperti yang direncanakan. Sementara kegagalan struktural merupakan petunjuk kerusakan pada satu atau lebih komponen dalam struktur perkerasan. Program Everpave adalah program penutup sekaligus penentu dalam perencanaan overlay perkerasan lentur berdasarkan analisis mekanistik. IV - 7
Proses analisis mekanistik yang dimaksud adalah perencanaan overlay yang menggunakan kriteria kegagalan struktur. Kegagalan struktur yang terdapat dalam program Everpave ini didasarkan pada dua jenis yaitu; kriteria kegagalan deformasi (rutting) dan kriteria kegagalan retak (fatig cracking). Program komputer dengan analisis lapisan elastis akan membantu menghitung besar tegangan, regangan dan defleksi secara teoritis setiap tempat dalam struktur perkerasan. Dan terdapat beberapa titik kritis yang sering digunakan untuk analisis perkerasan, sebagai berikut : Tabel 3.1 Analisis Titik Kritis di dalam Struktur Perkerasan Lokasi/Titik Respon Kegunaannya Permukaan Perkerasan Di bawah lapisan HMA Di atas lapisan tengah (Base atau Subbase) Di atas Subgrade Berguna untuk menjatuhkan beban Defleksi yang dibatasi selama desain overlay Berguna untuk prediksi Regangan Tarik kegagalan Retak Fatig Horizontal pada HMA Regangan Tekan Vertikal Berguna untuk prediksi kegagalan rutting pada base atau subbase Berguna untuk prediksi Regangan Tekan Vertikal kegagalan rutting pada subgrade Untuk penggambaran letak dari setiap titik kritis dalam struktur perkerasan lentur diberikan pada Gambar 3.6 berikut ini : Keterangan Gambar 3.6 : 1 Defleksi Permukaan Perkerasan 2 Regangan tarik horizontal di bawah lapisan berbitumen IV - 8
3 Regangan tekan vertikal di atas lapisan Base 4 Regangan tekan vertikal di atas lapisan Subgrade Catatan: kriteria kerusakan diperiksa di bawah satu roda dan di antara kedua roda Gambar 3.6 Titik kriteria kerusakan - Program Everpave 3.4.3.1 Kriteria Deformasi (Rutting) Alur tapak roda (wheel-track rutting) dikontrol dengan membatasi regangan tekan arah vertikal dan deformasi permanent pada tanah dasar. Agensi internasional Asphalt Institute (1982) memberikan batasan kegagalan/failure akibat deformasi tanah dasar sebesar 13 mm. IV - 9
Pada Asphalt Institute MS-1 edisi ke-9, kriteria rutting yang digunakan adalah diperoleh dari analisa perencanaan perkerasan dengan prosedur California dan metode Chevron. Besarnya nilai rutting tidak boleh melampaui 13mm (0.5 in), dengan anggapan bahwa komponen dari struktur perkerasan direncanakan dengan baik. Gambar 3.7 Tampilan kegagalan rutting pada perkerasan jalan Keterangan Gambar 3.7: Gambar menunjukkan Tampilan kegagalan rutting pada perkerasan jalan dengan anggapan bahwa komponen dari strukur perkerasan direncanakan dengan baik Kriteria rutting pada program Everpave ini diambil dari Asphalt Institute: Dimana: Nf = angka ijin dari single axle 8000 lb (80 kn) agar rutting pada permukaan perkerasan tidak lebih dari 0.5 inchi (12.7 mm) ev = regangan vertikal tekan di atas lapisan tanah dasar IV - 10
Gambar 3.8 Limitasi kriteria regangan rutting pada tanah dasar Keterangan Gambar 3.8: Gambar menunjukkan Limitasi kriteria regangan rutting pada tanah dasar Persamaan konstanta rutting untuk program Everpave diberikan sebagai berikut : N r = aε V b (3.3) atau log N r = log a+b logε V (3.4) keterangan: Nr = Beban yang menyebabkan kerusakan rutting, jumlah beban untuk kerusakan rutting pada tanah dasar mencapai 0,5 inchi. (13mm). εv = Tegangan vertical tekan (vertical compressive strain) di bagian atas a = Konstanta subgrade (micron = 10-3 mm) b = nilai eksponen untuk tegangan Nilai a dan b adalah negatif dan tanda negatif tersebut harus disertakan pada saat memasukkan nilai ke dalam persamaan. IV - 11
Nilai konstanta untuk a dan b adalah 1.077E+18 dan -4.4843, sehingga: 3.4.3.2 Kriteria Retak (Fatigue Cracking) Banyak persamaan yang telah dikembangkan untuk menghubungkan jumlah repetisi beban terhadap kerusakan retak pada perkerasan lentur dengan lapis permukaan aspal beton (AC/HMA). Dan kebanyakan nilainya tergantung pada besarnya regangan tekan horizontal di bawah lapisan HMA (εt) dan modulus elastis dari HMA. Mekanisme yang digunakan untuk kerusakan pada permukaan perkerasan yang berupa retak adalah dengan mengontrol regangan tekan arah vertikal pada permukaan tanah dasar/subgrade. Gambar 3.9 Tampilan kegagalan retak di permukaan perkerasan Keterangan Gambar 3.9: Gambar menunjukkan Tampilan kegagalan retak di permukaan perkerasan akibat regangan tekan arah vertikal pada permukaan tanah dasar IV - 12