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:
• EVERSTRESS • EVERCALC • 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.
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.
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.
Asumsi – Asumsi
Pendekatan pemodelan lapisan elastis ini memerlukan beberapa asumsi dalam model matematikannya. Asumsi tersebut antara lain[9,17]:
• Lapisan perkerasan memiliki panjang arah horizontal yang tidak terbatas • Lapisan terbawah (umumnya subgrade) memiliki kedalaman yang tak
• Material tidak mengalami tegangan yang melewati batas elastisnya
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.
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 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 mean
square (RMS). Sehingga, apabila terjadi ketidakcocokan pada hasil lendutan
toleransi 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.
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.
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[17]. Pemodelan lapisan elastis memiliki anggapan bahwa setiap lapisan struktur perkerasan homogen, isotropic, 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 maupu n vertikal.
Lapisan 1 , EV1 = EH1 dan nV1 = nH1
Lapisan 2 , EV2 = EH2 dan nV2 = nH2
Subgrade
Gambar 3.1 Kriteria Lapisan Homogen dan Isotropis
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 terjadi slip antar lapisan, sedangkan 2-1000 diberikan untuk kondisi antar lapisan bila terjadi slip sebagian.
AC overlay
Unbound Base Layer
Subgrade Layer
interface 1 AC lama
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[2]. 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. 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[17] Lokasi/Titik Respon Kegunaannya
Permukaan Perkerasan Defleksi
Berguna untuk menjatuhkan beban yang dibatasi selama desain overlay Di bawah lapisan HMA Regangan Tarik
Horizontal
Berguna untuk prediksi kegagalan Retak Fatig pada HMA
(Base atau Subbase) kegagalan rutting pada base atau subbase Di atas Subgrade Regangan Tekan Vertikal
Berguna untuk prediksi kegagalan rutting pada subgrade
Untuk penggambaran letak dari setiap titik kritis dalam struktur perkerasan lentur diberikan pada Gambar 3.3 berikut ini:
Keterangan Gambar 3.3:
1. Defleksi Permukaan Perkerasan
2. Regangan tarik horizontal di bawah lapisan berbitumen 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 3.3 Titik kriteria kerusakan - Program Everpave[16]
Beban tiap roda = 4,500 lb
Retak Lelah – Di bawah overlay AC baru
Rutting –
Di atas Lapisan Tanah Dasar
Retak Lelah – Di bawah overlay AC lama
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[8].
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[8].
Gambar 3.4 Tampilan kegagalan rutting pada perkerasan jalan Kriteria rutting pada program Everpave ini diambil dari Asphalt Institute[16]:
4843 . 4 2 10 05 . 1 = − v f e x N (3.2)
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
Gambar 3.5 Limitasi kriteria regangan rutting pada tanah dasar[17]
Persamaan konstanta rutting untuk program Everpave diberikan sebagai berikut:
b V
r a
N = ε (3.3)
atau logNr =loga+blogεV (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 subgrade (micron = 10-3 mm)
Nilai a dan b adalah negatif dan tanda negatif tersebut harus disertakan pada saat memasukkan nilai ke dalam persamaan.
Nilai konstanta untuk a dan b adalah 1.077E+18 dan -4.4843, sehingga:
( )
Vr E
N log1.077 18 4.4843logε
log = − (3.5)
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)[17]. Dan kebanyakan nilainya tergantung pada besarnya regangan tekan horizontal di bawah lapisan HMA (εt) dan modulus elastis dari HMA[17].
Mekanisme yang digunakan untuk kerusakan pada permukaan perkerasan yang berupa retak adalah dengan mengontrol regangan tekan arah vertikal pada permukaan tanah dasar/subgrade[8].
Gambar 3.6 Tampilan kegagalan retak di permukaan perkerasan[17]
Kriteria kerusakan retak lelah berdasarkan laboratorium Monishmith, yaitu berdasarkan model dan yang berikutnya merupakan karya Finn dan Mahoney[16].
Retak Lelah: Nfield = (Nlab) (SF) (3.6) Dimana:
Nfield = beban yang diaplikasikan pada tegangan konstan untuk menghasilkan jumlah retak lelah
Nlab = berkaitan dengan data laboratorium
− − = −6 3 10 log 8854 . 0 10 log 291 . 3 82 . 14 10 et Eac (3.7)
SF = Shift faktor yang berkisar antara 4 sampai 10, tergantung tebal HMA
Hasil aplikasi Nfield diperkirakan sekitar 10 persen atau kurang dengan retak lelah di sekitar lokasi jalan roda. Model Finn berdasarkan kerja laboratorium Monismith dan hasil pengujian AASHTO adalah:
− − = −6 3 10 log 854 . 0 10 log 291 . 3 947 . 15 10 et Eac Nf (3.8)
Dimana: Nf = angka yang menunjukkan as untuk menghasilkan retak fatigue kurang dari 10 persen di daerah roda
εt = regangan tarik horizontal di bawah lapisan aspal Eac = Modulus lapisan aspal (psi)
dengan rumus,
[
6.47210 0.000147362( )2]
10
TAC
E =
−Gambar 3.7 Pembatasan regangan horizontal kriteria retak[17] Dan persamaan konstanta fatig cracking dalam Everpave adalah:
= c AC b t fv essure c Atmospheri E a SF N Pr ε (3.9) atau + + + = essure c Atmospheri E c b a SF N AC t f Pr log log log log log ε (3.10) Keterangan:
Nf = Beban yang menyebabkan kerusakan fatigue, jumlah beban untuk perkerasan mencapai 10 persen alligator cracking.
SF = Faktor peubah
εt = Nilai tangensial regangan dibagian bawah lapisan HMA (micron, 10-6) EHMA = Modulus HMA (Hot Mix Asphalt)
a = Konstanta
Nilai b dan c adalah negatif dan tanda negatif ini harus disertakan pada saat memasukkan nilai. Tekanan Atmosfer dalam satuan yang sama dengan tegangan (14.696 psi atau 101.4 kPa).
Nilai yang sudah ada untuk a, b, dan c adalah 2.428E+16, -3.291, dan -0.854, mengacu dari persamaan yang asli:
− − = 1000 log 854 . 0 log 29 . 3 82 . 14 AC t f E LogN ε (3.11)
Dan berikut ketentuan untuk shift factor pada Everpave: Tabel 3.2 Klasifikasi Shift Faktor[16] Shift Faktor Keterangan
4 Tebal HMA > 200mm (8 in)
7 Tebal HMA antara 100 - 200 mm (4 - 8 in) 10 Tebal HMA < 100 mm (4 in)
Data Masukan (Input Program)
Banyaknya parameter yang diperlukan sebagai masukan dalam program Everpave menyebabkan diperlukannya pengelompokan parameter tersebut secara garis besar. Secara umum, masukan program ini terdiri dari tiga bagian, antara lain; data umum, data lalin (lalu lintas), dan data perkerasan.
Setiap tiga parameter umum tersebut memiliki beberapa data bagian yang masing-masing akan disebutkan di bawah ini.
Input Data Properti Material Variasi Musiman Lalu Lintas Asumsi Tebal Perkerasan Menghitung volume lalu lintas musiman
*Menentukan properti material musiman *Analisis Struktur Perkerasan (Ev, Ee) *Menghitung masa layan (Nf, Nr) *Menentukan ratio kerusakan
Menghitung jumlah rasio kerusakan ( Sum of Damage Ratio, SDR)
Tambah tebal
overlay SDR<1
Menghasilkan desain overlay
No Yes
Gambar 3.8 Alur Program Everpave[16]
Data Umum
Data umum ini terdiri dari parameter-parameter yang berkaitan dengan alat pengukur lendutan dilapangan, antara lain; beban roda rencana, tekanan roda rencana, jarak roda ganda, shift faktor untuk AC eksisting dan AC overlay dan variasi musiman.
Khusus untuk variasi musiman, Everpave memberikan standar musiman sesuai dengan keadaan musim di Washington, USA atau sebagian besar negara-negara Eropa dimana terdapat 4 musim yaitu semi (spring), panas (summer), gugur (fall), dan dingin (winter). Tetapi hal ini tidak menghambat perhitungan Everpave bagi daerah dengan 2 musim saja, karena faktor musiman bisa disesuaikan dengan memasukkan angka satu (1) apabila tidak ada salah satu atau lebih variasi musiman diantara keempat musim tersebut diatas.
Data Lalu Lintas
Data lalu lintas pada Everpave memberikan pilihan tipe perhitungan lalu lintas rencana yang akan digunakan. Pengguna dapat memilih satu dari tiga data lalu lintas yang disediakan program ini. Pilihan tersebut antara lain; 18KESALs untuk periode rencana tertentu, 18KESALs per tahun, atau Lalu Lintas Harian Rata-Rata (average daily traffic). Setiap pilihan tersebut membutuhkan masukkan yang umumnya berupa distribusi lajur jalan raya, pertumbuhan lalu lintas per tahun, dan umur rencana (design period). Khusus penggunaan data lalu lintas LHR diperlukan data faktor truk dan persentase truk.
Data Struktur Perkerasan
Pada data struktur perkerasan diperlukan beberapa asumsi dari pengguna Everpave, seperti tebal overlay perkiraan awal, modulus AC overlay dalam keadaaan temperatur standar, nilai poisson lapisan overlay yang direncanakan dan penambahan tebal overlay untuk proses iterasi.
Sedangkan data lainnya adalah data perkerasan eksisting yang terdiri dari; identitas tiap lapisan, nilai poisson tiap lapisan pada struktur perkerasan
eksisting, tebal tiap lapisan eksisting (cm), dan modulus tiap lapisan yang diperoleh dari proses backcalculation (MPa), dimana untuk lapisan permukaan modulus yang dipakai adalah modulus dalam keadaan temperatur standar, dan modulus lapisan lainnya sesuai dengan nilai keluaran program evercalc.
Data Keluaran (Output Program)
Setelah semua data yang diperlukan terpenuhi, maka proses iterasi akan berjalan sesuai perintah pengguna program Everpave dan menjalankan analisis perkerasan. Ada empat jenis keluaran dari program ini. Pertama, petunjuk nilai modulus yang digunakan setelah dikoreksi terhadap variasi musiman.
Kedua, angka kritis dari regangan tarik di AC baru dan AC lama, regangan tekan pada subgrade dan defleksi permukaan maksimal yang dihitung tiap musim. Faktor musiman yang diberikan mengacu pada musim yang ada di Washington D.C yaitu sebanyak 4 musim. Tetapi hal ini tidak menghalangi proses perhitungan pada daerah dengan 2 musim.
Ketiga, tingkat kerusakan yang ditimbulkan oleh regangan-regangan di titik-titik kritis dalam struktur perkerasan, yaitu kerusakan retak di permukaan AC baru dan AC lama, dan deformasi (rutting) pada subgrade. Nilai kerusakan ini dihitung dari asumsi tebal overlay yang diperkirakan diawal, lalu proses iterasi terjadi, guna mengurangi nilai kerusakan yang terjadi tersebut.
Dan yang terakhir adalah besarnya tebal overlay yang dibutuhkan, didapat dengan melakukan penambahan tebal dari tebal overlay perkiraan diawal yang mengakibatkan nilai kerusakan kurang atau mendekati satu (1). Apabila perkiraan awal tebal overlay sudah menghasilkan kerusakan yang kurang atau
mendekati satu (1), maka tebal overlay yang dibutuhkan adalah sama dengan tebal overlay perkiraan awal yang dimasukkan oleh pengguna.
Tahapan Perhitungan Everpave
Proses perhitungan tebal overlay pada program Everpave dilakukan melalui beberapa tahapan, sebagai berikut[18]:
− Proses backcalculation dari data FWD yang menghasilkan modulus tiap lapisan
− Analisis dan tentukan hasil dua parameter kriteria kegagalan.
• Fatigue cracking : logNf =14.82−3.291log(εt)−0.854log(Eac)
• Rutting : 18 4.4843 ) ( 10 077 . 1 logNf = x εv −
− Menghitung beban repetisi batas (ijin) untuk kegagalan struktur pada tiap musim
− Menghitung kerusakan yang terjadi tiap musim dan nilai total kerusakan musiman
− Menentukan tebal overlay berdasarkan nilai total kerusakan musiman yang kurang dari atau sama dengan satu (≤ 1).
