i
ANALISIS FATIGUE PADA SURFACE COURSE DENGAN
PENDEKATAN DISSIPATED ENERGY
Analysis of Fatigue on Surface Course Using Dissipated Energy Approach
SKRIPSI
Disusun sebagai Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Pada Program Studi Teknik Sipil Fakultas Teknik
Universitas Sebelas Maret Surakarta
Disusun Oleh :
MICHAEL NIM I0112099
PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
ii
HALAMAN PERSETUJUAN
ANALISIS FATIGUE PADA SURFACE COURSE DENGAN
PENDEKATAN DISSIPATED ENERGY
Analysis of Fatigue on Surface Course Using Dissipated Energy Approach
Disusun Oleh :
MICHAEL NIM I0112099
Telah disetujui untuk dipertahankan di hadapan Tim Penguji Pendadaran Program Studi Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret
Persetujuan Dosen Pembimbing
Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II
Ir. Ary Setyawan, M.Sc., Ph.D. Dr. F. Pungky Pramesti, S.T., M.T.
iv
MOTTO DAN PERSEMBAHAN
There is neither this world nor the world beyond nor happiness for the one who doubts.
-Shri Krishna-
Si intraverit sapientia cor tuum, et scientia anima tua placuerit; concilium custodiet te, et prudentia servabit te.
-Proverbium 2:10-11-
造烛求明，读书求理
Tujuan adanya lilin adalah untuk penerangan, tujuan dari belajar adalah untuk pengeatahuan
-Chinese Proverb-
v
ABSTRACT
Michael. 2016. Analysis of Fatigue on Surface Course Using Dissipated Energy
Approach. Civil Engineering Department, Engineering Faculty, Sebelas Maret University.
As an important transportation infrastructure, pavement is subjected to repeated vehicle loads that may cause fatigue which often appear as cracking. The point when this crack initiate can be determined by the energy dissipated during the loading.
This research investigates fatigue on Adi Soemarmo Airport mix-design using bitumen Pen 60/70 + EVA (Ethyl Vinyl Acetate) polymer. An Indirect Tensile Fatigue Test (ITFT) was conducted using stress-controlled loading mode to determine its fatigue life. The stress levels were 500, 600 and 700 kPa, meanwhile the loading frequency and the temperature were 10 Hz and 20oC, respectively.
The test exhibits strain levels for each loading cycle which were used to determine dissipated energy (DE). The result indicates that the DE increases when the cycles of loading increases, due to the strain levels progress. The amount of DE are 7122,8; 8614,3; 2654,9 J/m3 for 500, 600 and 700 kPa loading levels, respectively. Whereas the failure point for 500, 600 and 700 kPa stress level are 8171, 5161 and 841 cycles, respectively. Thus, the longer the pavement failure point achieved (fatigue life), the higher the energy is dissipated.
vi
ABSTRAK
Michael. 2016. Analisis Fatigue pada Surface Course dengan Pendekatan
Dissipated Energy. Program Studi Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret.
Suatu perkerasan merupakan infrastuktur yang sangat penting bagi moda transportasi, karena merupakan media bagi moda tersebut untuk melakukan pergerakan. Beban dari moda yang diterima perkerasan ini terjadi secara berulang-ulang dan bersifat dinamis, akibatnya lapis perkerasan akan mengalami kelelahan (fatigue) hingga rusak/retak. Kelelahan atau titik keruntuhan yang ditunjukkan dengan munculnya crack (crack initiation) dapat diidentifikasi dengan metode
dissipated energy.
Penelitian ini menginvestigasi fatigue pada mix-design dengan menggunakan gradasi material runway Bandara Adi Soemarmo dan menggunakan aspal campuran Pen 60/70 dengan polimer EVA. Campuran aspal diuji dengan Indirect Tensile Fatigue Test (ITFT), dengan mode pembebanan stress-controlled. Stress level yang digunakan untuk pengujian ITFT sebesar 500, 600 dan 700 kPa, dengan frekuensi pembebanan dan suhu pengujian, masing-masing adalah 10 Hz dan 20oC.
Dari hasil pengujian, didapatkan nilai strain pada setiap siklus pembebanan, yang akan digunakan untuk perhitungan dissipated energy (DE). Pada setiap pengujian, DE semakin meningkat seiring dengan kenaikan jumlah cycles karena kenaikan nilai strain pada setiap cycles.Jumlah DE yang dihasilkan untuk pengujian dengan
stress 500, 600, 700 kPa masing-masing adalah 7122,8; 8614,3; 2654,9 J/m3.
Sementara itu, failure point pada spesimen dengan stress level 500, 600 dan 700 kPa masing-masing terjadi pada 8171, 5161 dan 841 cycles. Dapat dilihat bahwa semakin lama suatu perkerasan runtuh atau semakin tinggi nilai fatigue life, maka semakin tinggi pula energi yang dihamburkan.
vii
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan rahmat dan karuniaNya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi
yang berjudul “Analisis Fatigue pada Surface Course dengan Pendekatan
Dissipated Energy”.
Skripsi ini disusun guna memenuhi salah satu syarat kelulusan pada Program Studi Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dalam proses penyusunan, penulis telah mendapatkan berbagai bantuan, bimbingan dan motivasi dari berbagai pihak. Untuk itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Bapak Ir. Ary Setyawan, M.Sc., PhD dan Ibu Dr. F. Pungky Pramesti, S.T., M.T., selaku pembimbing yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan bimbingan, saran dan ilmu kepada penulis dalam penyusunan skripsi ini.
2. Bapak Edy Purwanto, S.T., M.T., selaku pembimbing akademik yang telah membimbing penulis selama masa perkuliahan di Prodi Teknik Sipil UNS dan semua dosen Teknik Sipil UNS yang telah membagikan ilmunya kepada penulis.
3. Bapak Prof. Ir. I Nyoman Arya Thanaya, ME, Ph.D, Dosen Teknik Sipil Universitas Udayana yang merangkap sebagai operator pengujian fatigue
dalam penelitian ini, yang telah banyak membantu dan memberikan masukan yang sangat berarti bagi penulis.
4. Papa dan Mama yang telah selalu memberikan motivasi dan semangat kepada penulis selama duduk dibangku perkuliahan, serta kasih sayang dan doa-doanya yang begitu luar biasa yang selalu mampu menguatkan penulis. 5. Ciks dan Adiks, Melissa dan Melviya, yang senantiasa mendukung dalam
setiap langkah yang penulis ambil selama ini, serta menjadi obat yang manjur saat dilanda kesepian di tanah rantau.
viii
penyusunan laporan skripsi ini, sehingga semuanya dapat terselesaikan dengan baik.
7. Agus, Enjels dan Elisabeth, teman sekaligus sahabat selama menjalani perkuliahan di UNS dan menjadi tempat curhat serta bertukar pikiran. Dan semua teman-teman Teknik Sipil 2012 yang juga telah bersama-sama belajar di UNS selama kurang lebih 4 tahun
8. Marcel dan Metta, teman yang senantiasa mendukung dan memberi masukan kepada penulis, juga sebagai tempat bercanda, bergosip dan bertukar pikiran. Dan semua teman-teman IKMAB 2012 yang luar biasa, Anthony dan Dyah. 9. Dio dan Yusak, teman spiritual sekaligus duniawi yang begitu luar biasa telah
menjadi sahabat dikala susah maupun senang. Bersama-sama belajar Dharma dan filosofi kehidupan yang begitu rumit, namun tetap mendukung satu sama lainnya. Dan terima kasih juga kepada semua adik-adik yang tergabung dalam IKMAB angkatan 2013-2016 yang tidak bisa penulis sebutkan satu per satu. 10. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu yang telah
memberikan doa dan dukungannya, sehingga skripsi ini dapat terselesaikan. Penulis menyadari bahwa skrips ini masih jauh dari sempurna. Oleh karen itu, kritik dan saran yang bersifat membangun akan menyempurnakan skripsi ini. Dan semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi penulis, pembaca dan penelitian selanjutnya.
Surakarta, Oktober 2016
Penulis,
ix
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
HALAMAN PERSETUJUAN ... ii
HALAMAN PENGESAHAN ... iii
MOTTO DAN PERSEMBAHAN ... iv
ABSTRACT ... v
ABSTRAK ... vi
KATA PENGANTAR ... vii
DAFTAR ISI ... ixiv
DAFTAR GAMBAR ... xiv
DAFTAR TABEL ... xiv
DAFTAR ISTILAH ... xiv
BAB 1 PENDAHULUAN ... Error! Bookmark not defined.
1.1 LATAR BELAKANG ... Error! Bookmark not defined.
1.2 RUMUSAN MASALAH ... Error! Bookmark not defined.
1.3 TUJUAN PENELITIAN ... Error! Bookmark not defined.
1.4 BATASAN MASALAH ... Error! Bookmark not defined.
1.5 MANFAAT PENELITIAN ... Error! Bookmark not defined.
BAB 2 KAJIAN TEORI ... Error! Bookmark not defined.
2.1. UMUM ... Error! Bookmark not defined.
2.2 DASAR TEORI ... Error! Bookmark not defined.
2.2.1 Modified Bitumen ... Error! Bookmark not defined.
2.2.2 Pengujian Fatigue ... Error! Bookmark not defined.
2.2.3 Standar Perkerasan Runway Menurut FAA... Error! Bookmark not defined.
2.2.4 Fatigue pada Perkerasan Aspal ... Error! Bookmark not defined.
2.2.5 Pengujian Fatigue dengan Metode Indirect Tensile Test (ITT) ... Error! Bookmark not defined.
2.2.6 Pendekatan Dissipated Energy... Error! Bookmark not defined.
2.2.7 Rasio Dissipated Energy (DER) ... Error! Bookmark not defined.
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN... Error! Bookmark not defined.
x
3.2 TEMPAT DAN WAKTU PENELITIAN .. Error! Bookmark not defined.
3.3 DATA ... Error! Bookmark not defined.
3.4 BAHAN ... Error! Bookmark not defined.
3.5 ALAT ... Error! Bookmark not defined.
3.6 BENDA UJI ... Error! Bookmark not defined.
3.7 PROSEDUR PENGUJIAN ... Error! Bookmark not defined.
3.8 TAHAPAN PENELITIAN ... Error! Bookmark not defined.
3.9 KERANGKA KERJA ... Error! Bookmark not defined.
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN... Error! Bookmark not defined.
4.1 HASIL PENELITIAN ... Error! Bookmark not defined.
4.1.1 Data Sekunder ... Error! Bookmark not defined.
4.1.2 Data Primer ... Error! Bookmark not defined.
4.1.2.1 Data Hasil Pengujian Aspal ... 42 4.1.2.2 Pengujian Agregat ... Error! Bookmark not defined.
4.1.2.3 Data Hasil Pengujian Marshall ... Error! Bookmark not defined.
4.1.2.4 Data Hasil Pengujian Fatigue ( Indirect Tensile )Error! Bookmark not defined.
4.2 ANALISIS DAN PEMBAHASAN ... Error! Bookmark not defined.
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... Error! Bookmark not defined.
5.1 KESIMPULAN ... Error! Bookmark not defined.
5.2 SARAN ... Error! Bookmark not defined.
DAFTAR PUSTAKA ... Error! Bookmark not defined.
xi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Mesin Pengujian 2-Point Bending Fatigue Test ... 7
Gambar 2.2 Skema Karakteristik Pembebanan 3-Point Bending Test ... 8
Gambar 2.3 Skema Four-Point Bending Test dan Karakteristik Pembebanan .... 8
Gambar 2.4 Skema Pengujian Rotating Bending Test oleh Pell ... 9
Gambar 2.5 Skema direct axial fatigue test ... 10
Gambar 2.6 Stress yang Terjadi Akibat Pergerakan Roda pada Perkerasan ... 14
Gambar 2.7 Indirect Tensile Test Loading and Failure ... 16
Gambar 2.8 Relative stress distribution and center element showing biaxial state of stress for the indirect tensile test ... 17
Gambar 2.9 Kurva Kekakuan terhadap siklus beban ... 18
Gambar 2.10 Hubungan anatar Gaya/Beban dengan Displacment dalam 1 siklus ... 19
Gambar 2.11 Grafik Ilutrasi Pengujian dengan Controlled Stress Mode (a) dan Controlled Strain Mode (b) ... 20
Gambar 2.12 Representasi Ideal untuk Failure Point pada Analisis Fatigue Klasik ... 21
Gambar 2.13 Ilustrasi Prilaku Material Elastis dan Visko-Elastis ... 21
Gambar 2.14 Dissipated Energy Selama Pengujian Fatigue Stress-controlled (a) dan Strain-controlled (b) ... 22
Gambar 2.15 Grafik Stiffness terhadap Rasio Ψ ... 23
xii
Gambar 2.17 Grafik Hubungan E* (a), Rε (b), dan wi (c) terhadap Jumlah
Repetisi Beban pada Pengujian Fatigue Trapezoidal
Strain-controlled ... 26
Gambar 2.18 Grafik Hubungan E* (a), Rσ (b), dan wi (c) terhadap Jumlah Repetisi Beban pada Pengujian Fatigue Trapezoidal Stress-controlled ... 27
Gambar 3.1 Ilustrasi Pengujian ITFT ... 31
Gambar 3.2 Proses Pengujian Fatigue ... 32
Gambar 3.3 Benda Uji ... 34
Gambar 3.4 Kondisi Benda Uji Setelah Diuji ... 37
Gambar 3.5 Kerangka Pikir Analisa... 39
Gambar 4.1 Grafik Hubungan antara Kadar Aspal SBS dan Stabilitas ... 45
Gambar 4.2 Grafik Hubungan antara Kadar Aspal SBS dan Porositas... 45
Gambar 4.3 Grafik Hubungan antara Kadar Aspal SBS dan Flow ... 45
Gambar 4.4 Grafik Hubungan antara Kadar Aspal EVA dan Stabilitas ... 46
Gambar 4.5 Grafik Hubungan antara Kadar Aspal EVA dan Porositas ... 46
Gambar 4.6 Grafik Hubungan antara Kadar Aspal EVA dan Flow ... 47
Gambar 4.7 Grafik Hubungan antara Kadar Aspal Pen 60/70 dan Stabilitas .... 47
Gambar 4.8 Grafik Hubungan antara Kadar Aspal Pen 60/70 dan Porositas ... 48
Gambar 4.9 Grafik Hubungan antara Kadar Aspal Pen 60/70 dan Flow ... 48
Gambar 4.10 Grafik Hubungan antara Jumlah Cycles dan Dissipated Energy pada Stress Lv. 500 kPa (10a), 600 kPa (10b), 700 kPa (10c) ... 51
xiii
Gambar 4.12 Grafik Hubungan Antara W dan NR ... 54
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Kriteria Gradasi Material ... 11
Tabel 2.2 Minimum Persentase VMA ... 12
Tabel 2.3 Kriteria Hasil Pengujian Marshall ... 12
Tabel 3.1 Program Pengujian Marshall ... 35
Tabel 3.2 Program Pengujian Fatigue dengan Metode IT ... 37
Tabel 4.1 Gradasi existing pavement Bandara Internasional Adi Sumarmo Surakarta... 41
Tabel 4.2 Komposisi Penggunaan Agregat Bandara Internasional Adi Sumarmo Boyolali ... 41
Tabel 4.3 Data Lapis Perkerasan Runway Bandara Internasional Adi Sumarmo Boyolali ... 42
Tabel 4.4 Hasil Pengujian Aspal Modifikasi SBS ... 42
Tabel 4.5 Hasil Pengujian Aspal Modifikasi Pen 60/70 dan Polimer EVA ... 43
Tabel 4.6 Hasil Pengujian Aspal Pen 60/70 ... 43
Tabel 4.7 Hasil Pengujian Agregat... 43
Tabel 4.8 Hasil Pengujian Marshall untuk Campuran Aspal SBS ... 44
Tabel 4.9 Hasil Pengujian Marshall untuk Campuran Aspal Pen 60/70 dan EVA ... 46
Tabel 4.10 Hasil Pengujian Marshall untuk Campuran Aspal Pen 60/70 ... 47
Tabel 4.11 Hasil Pengujian Fatigue (ITFT) ... 49
Tabel 4.12 Rekapitulasi Jumlah Dissipated Energy Setiap Benda Uji ... 50
Tabel 4.13 Rekapitulasi Hasil NR ... 50
15
DAFTAR ISTILAH
W : Cummulative Dissipated Energy
N1/NR : fatigue life menurut dissipated energy analysis
DE/w : Dissipated Energy
ER : Energy Ratio
DER : Dissipated Energy Ratio
EVA : Ethyl Vinyl Acetate
FAA : Federal Aviation Administration
ITS : Indirect Tensile Strength
ITT : Indirect Tensile Test
SBS : Sthyrene Butil Sthyrene
LVDT : Linear Variable Differential Transformer, sensor untuk merekam data stress-strain pada pengujian ITT
