Reka Racana - 1
Analisis Daya Dukung Helical Pile
Menggunakan Metode Elemen Hingga
ARYANATA, A.
1, HAMDHAN, I.N.
21
Mahasiswa, Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan
Institut Teknologi Nasional
2
Dosen, Teknik Sipil Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan
Institut Teknologi Nasional
E-mail:[email protected]
ABSTRAK
Penelitian dalam menentukan kapasitas daya dukung ultimate pada pondasi helical merupakan masalah yang kompleks. Penting untuk menentukan metode yang cocok digunakan dalam mengestimasi nilai kapasitas daya dukung ultimate pondasi helical. Hal tersebut dapat dilakukan dengan cara membandingkan antara metode analitis (metode cylindrical shear dan metode individual bearing) dengan metode elemen hingga baik pada tanah lempung maupun tanah pasir. Variasi rasio jarak (S/Dh) sebesar 1,0 sampai dengan 3,5 dilakukan dalam analisis daya dukung pondasi helical ini. Hasil perhitungan kapasitas daya dukung tiang helical mununjukkan metode cylindrical shear lebih realistis, karena nilainya mendekati nilai rata-rata daya dukung tiang helical metode elemen hingga. Ini dinyatakan dengan selisih rata-rata persentasenya yang mendekati nilai nol % yaitu 4,371%.
Kata kunci : Plaxis, Cylindrical Shear, Individual Bearing, Clay, Pasir. ABSTRACT
Research in determine the ultimate bearing capacity of the helical foundation is a complex problem. It is important to determine the method that is suitable for estimate the value of the ultimate bearing capacity of the foundation helical. This can be done by comparing the analytical method (method cylindrical bearing shear and individual methods) with the finite element method both in clay and sandy soil. Variations distance ratio (S / Dh) of 1,0 to 3,5 is done in the analysis of the carrying capacity of this helical foundation. The calculation results of the bearing capacity at a helical pile shown cylindrical shear method is more realistic, because its value is close to the average value of a helical pile bearing capacity on the finite elemen method. It is express by the average percentage difference approach zero % rate is 4.371%.
Reka Racana - 2
1. PENDAHULUAN
Banyaknya jenis pondasi tiang yang ada, memungkinkan penggunaan pondasi tiang pada semua jenis tanah dan semua jenis struktur. Pondasi “Helical Pile” merupakan jenis pondasi yang termasuk pondasi tiang baja. Pada awalnya Helical Pile digunakan untuk memperkuat daya dukung mercusuar dan bangunan pesisir pantai di inggris * (Perko, 2009). Helical Pile
pada umumnya terbuat dari tiang baja yang mempunyai helix pada ujung tiangnya atau beberapa helix pada ujung dan tengah tiangnya. Dengan adanya helix membuat kapasitas daya dukung pada Helical Pile lebih besar. Pada perencanaan suatu struktur bangunan yang menggunakan pondasi tiang, penentuan kapasitas daya dukung ultimate pada pondasi merupakan faktor terpenting dalam perencanaan. Oleh sebab itu, perlu dilakukan analisis untuk mengetahui dan menentukan nilai kapasitas daya dukung ultimate pondasi tiang
Helical. Ada banyak sekali metode-metode yang dapat digunakan dalam penentuan kapasitas daya dukung tiang Helical, secara analitis metode yang dapat digunakan adalah metode
Individual Bearing dan Cylindrical Shear *(Perko, 2009), sedangkan untuk perhitungan numerik menggunakan metode elemen hingga. Pada penelitian ini akan menganalisis daya dukung ultimate tiang Helical dengan metode Individual Bearing, Cylindrical Shear, dan Elemen Hingga.
2. TINJAUAN PUSTAKA
Kapasitas daya dukung ujung (Qb)
2.1
Metode Kapasitas daya dukung ujung (Qb) dimobilasi dibawah tumpukan helix dapat
dinyatakan dengan persamaan (1) untuk tanah lempung dan persamaan (2) untuk tanah pasir. Qb = ... (1) Qb = ... (2) dimana :
H = kedalaman helix di bawah permukaan tanah (m) Dh = diameter helix (m)
d = diameter poros tiang (m)
Nc = faktor kapasitas bearing untuk tanah lempung Cu = kuat geser undrained tanah lempung (kPa) Nq* = Faktor kapasitas bearing untuk tanah pasir
γ ' = Satuan tanah efektif menurunkan berat (kN/m3)
Menurut CFEM 2006 nilai Nc pada tanah lempung diambil 9,0 sedangkan nilai Nq* untuk
tanah pasir ditujukan pada Gambar 1. (Winterkorn dan Fang 1975), direkomendasikankan menggunakan vesic (1963).
Reka Racana - 3
Gambar 1. Variasi faktor bearing capacity, dari berbagai penulis (Winterkorn dan Fang, 1975)
Pengaruh Kapasitas Daya Dukung Selimut Tiang (Qs)
2.2
Kapasitas daya dukung selimut tiang (Qs) untuk tanah pasir dapat dinyatakan dengan
persamaan (3).
Qs =
... (3) dimana :
φ = sudut geser
Ks = koefisien tekanan tanah lateral dalam tekan
Dimana Heff dapat dinyatakan dengan formula dibawah ini
Heff = H1 – Dh
... (4) dimana :
H1 = kedalaman helix paling atas (m)
Dh = diameter helix (m)
Mitsch and Clemence (1985) telah merekomendasikan dalam menentukan nilai Ku seperti
yang ditunjukan pada Tabel 1 dibawah ini.
Tabel 1. Rekomendasi Nilai Ku untuk Tiang Helical (Mitsch and Clemence, 1985)
Sudut geser tanah (φ) Koefisien tarik (Ku)
25° 0,70
30° 0,90
35° 1,50
40° 2,35
45° 3,20
Reka Racana - 4
... (5) dimana:
= parameter desain gesekan selimut tiang untuk perpindahan tiang di pasir Tabel 2 (CFEM, 2006)
δ = sudut geser antara tiang dan tanah, sama dengan 0.6 φ untuk untuk tiang baja di pasir (Kulhawy, 1984)
Tabel 2. Parameter Koefisien β
Soil type Cast-in-place pile Driven pile
Silt 0,2 – 0,3 0,3 – 0,5 Loose sand 0,2 – 0,4 0,3 – 0,8 Medium sand 0,3 – 0,5 0,6 – 1,0 Dense sand 0,4 – 0,6 0,8 – 1,2 Gravel 0,4 – 0,7 0,8 – 1,5 (sumber : CFEM, 2006)
Untuk tiang helical pada tanah lempung, yang gesekan selimut tiang dimobilisasi dibawah dapat dihitung dengan persamaan (6).
Qs =
... (6) dimana :
α = faktor adhesi
Nilai faktor adhesi (α), untuk tanah lempung telah ditentukan berdasarkan (CFEM, 2006) yang ditunjukan pada Gambar 2.
Gambar 2. Faktor adhesi untuk tanah lempung (CFEM, 2006)
Pada perhitungan kapasitas daya dukung selimut tiang, terdapat nilai jarak antara helix
(S/Dh) yang mempengaruhi besarnya nilai kapasitas daya dukung selimut tiang.
Kapasitas Daya Dukung Silinder (Qc)
2.3
Pada metode Cylindrical Shear , resistensi gesekan dimobilisasi sepanjang silinder yang dibentuk oleh helix atas menuju helix bawah. Hal ini dapat ditujukan pada persamaan (7) untuk tanah pasir, sedangkan untuk tanah lempung dapat dilihat di persamaan (8).
Reka Racana - 5 Qc = ( ) ... (7) Qc = ... (8) dimana :
Hn = kedalaman helix paling bawah di bawah tanah (m)
H1 = kedalaman helix paling atas di bawah tanah (m) Rasio Jarak (S/Dh)
2.4
Terdapat dua parameter yang menentukan apakah model tiang tersebut menggunakan metode Cylindrical Shear atau menggunakan metode Individual Bearing yaitu dengan melihat jarak antara helix (S) dan diameter helix (Dh). Menurut CFEM (2006) untuk menentukan nilai jarak antara helix (S) maka diameter helix (Dh) dikalikan dengan rasio jarak dengan diameter helix (S/Dh). Pada metode Cylindrical Shear rasio jarak yang digunakan adalah S/Dh < 3.0 sedangkan pada metode Individual Bearing rasio jarak yang digunakan adalah S/Dh ≥ 3.0.
Metode Cylindrical Shear 2.5
Menurut CFEM (2006) metode Cylindrical Shear mempunyai rasio jarak (S/Dh < 3.0) yang dimana metode ini mengasumsikan bahwa kedalaman helix paling atas ke helix paling bawah sebagai daya dukung silinder. Untuk lebih jelasnya terdapat pada Gambar 3.
Gambar 3. Mekanisme pembebanan metode cylindrical shear
Metode Cylindrical Shear kapasitas daya dukung ultimate (Qult) merupakan penjumlahan
antara kapasitas daya dukung ujung (Qb) ditambah dengan kapasitas daya dukung selimut
tiang (Qs) ditambah kapasitas daya dukung silinder (Qc). Untuk lebih jelasnya terdapat pada
formula dibawah ini.
Qult = Qb + Qs + Qc
Reka Racana - 6
Untuk menghitung daya dukung ujung pada helix paling bawah, nilai dari „d‟ dapat dihilangkan dengan asumsi diameter tiang tersebut sama dengan diameter helix. Nilai dari daya dukung helix paling bawah dinyatakan dengan Qb1. Sedangkan helix tengah dan helix
atas tidak perlu dihitung daya dukung ujungnya karena diasumsikan sebagai daya dukung silinder. Untuk lebih jelasnya terdapat pada formula dibawah ini.
Qult = Qb1 + Qs + Qc
... (10)
Metode Individual Bearing 2.6
Menurut CFEM 2006 metode Individual Bearing mempunyai rasio jarak (S/Dh ≥ 3.0) yang dimana metode ini mengasumsikan bahwa setiap helix memiliki daya dukung ujung. Untuk lebih jelasnya terdapat pada Gambar 4.
Gambar 4. Mekanisme pembebanan metode Individual Bearing
Metode Individual Bearing kapasitas daya dukung ujung (Qb) merupakan penjumlahan dari
banyaknya helix yang digunakan, sehingga semakin banyak jumlah helix semakin besar pula kapasitas daya dukung ujungnya (Qb). Untuk kapasitas daya dukung ultimate (Qult)
menggunakan metode Individual Bearing didapatkan dari penjumlahan daya dukung ujung (Qb) ditambah dengan kapasitas daya dukung selimut tiang (Qs). Untuk lebih jelasnya
terdapat pada formula dibawah ini.
Qult = Qb + Qs
... (11) Untuk menghitung daya dukung ujung pada helix paling bawah, nilai dari „d‟ dapat dihilangkan dengan asumsi diameter tiang tersebut sama dengan diameter helix. Nilai dari daya dukung helix paling bawah dinyatakan dengan Qb1. Sedangkan nilai pada helix tengah
dan atas dinyatakan dalam Qb2. Untuk lebih jelasnya terdapat pada formula dibawah ini.
Qult = Qb1 + Qb2 + Qb2 + Qs
Reka Racana - 7
Metode Elemen Hingga 2.7
Metode elemen hingga (finite element method) adalah suatu metode numerik yang bertujuan untuk memperoleh pemecahan pendekatan dari suatu persamaan diferensial parsial. Software yang dalam proses perhitungannya menggunakan metode elemen hingga adalah PLAXIS. PLAXIS digunakan untuk menganalisis deformasi, stabilitas, dan kapasitas daya dukung tanah pada bidang geoteknik, dimana menggunakan model-model tanah untuk melakukan simulasi terhadap perilaku dari tanah.
3. METODE PENELITIAN
3.1 Metode Penelitian
Metode untuk penelitian ini di perlihatkan pada Gambar 4.
Mulai
Pengumpulan Data & Tinjauan Pustaka
Penentuan Parameter Tanah Analisis Daya Dukung Tiang Helical
Metode Individual Bearing Metode Cylindrical Shear Metode Finite Element
Pembahasan Kesimpulan & Saran
Selesai
Perumusan Masalah
Analitis Numerik
Gambar 4. Bagan Alir Penelitian
3.2 Pengumpulan Data
Untuk menganalisis daya dukung tiang helical, diperlukan adanya data tiang helical yang akan digunakan dan data tanah di titik yang akan dijadikan sebagai lokasi penanaman pondasi. Data tanah yang digunakan dalam tugas akhir ini dapat dilihat pada Tabel 4 dan data tiang yang digunakan dalam tugas akhir ini dapat dilihat pada Tabel 5.
Tabel 4. Data Parameter Tanah
Data Tanah Lempung Jenis Tanah Pasir ϒunsat (KN/m3) 15 20 ϒsat (KN/m3) 16 21 v‟ 0,33 0,33 Cu (KN/m2) 35 10 Φ (o) 0 40 Ѱ (o) 0 30
Reka Racana - 8
Tabel 5. Data Parameter Tiang
4. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Penelitian
Hasil perhitungan kapasitas daya dukung helical pile dengan berbagai metode.
Tabel 6. Data Beban Metode Cylindrical Shear pada Tanah Lempung
No S/Dh Qb (KN) Qs (KN) Qc (KN) Qult (KN) 1 0,5 329,308 403,883 120,890 854,08 2 1 329,308 348,933 230,790 909,03 3 1,5 329,308 293,983 340,690 963,98 4 2 329,308 239,033 450,590 1018,93 5 2,5 329,308 184,083 560,490 1073,88 6 3 329,308 129,133 670,390 1128,83 7 3,5 329,308 74,183 780,290 1183,78
Tabel 7. Data Beban Metode Cylindrical Shear pada Tanah Pasir
No S/Dh Qb (KN) Qs (KN) Qc (KN) Qult (KN) 1 0,5 5302,283 88,532 508,408 5899,223 2 1 5302,283 67,327 916,070 6285,679 3 1,5 5302,283 49,007 1271,800 6623,089 4 2 5302,283 33,571 1575,599 6911.453 5 2,5 5302,283 21,021 1827,466 7150,77 6 3 5302,283 11,356 2027,402 7341,041 7 3,5 5302,283 4,576 2175,406 7482,265
Tabel 8. Data Beban Metode Individual Bearing pada Tanah Lempung
No S/Dh Qb1 (KN) Qb2 (KN) Qs (KN) Qult (KN) 1 0,5 329,308 246,981 403,883 1227,151 2 1 329,308 246,981 348,933 1172,201 3 1,5 329,308 246,981 293,983 1117,251 4 2 329,308 246,981 239,033 1062,301 5 2,5 329,308 246,981 184,083 1007,351 6 3 329,308 246,981 129,133 952,401 7 3,5 329,308 246,981 74,183 897,451 No H Dh (helix) d (shaft) n Helix S/Dh
1 10 1 0,5 3 0,5 2 10 1 0,5 3 1 3 10 1 0,5 3 1,5 4 10 1 0,5 3 2 5 10 1 0,5 3 2,5 6 10 1 0,5 3 3 7 10 1 0,5 3 3,5
Reka Racana - 9
Tabel 9. Data Beban Metode Individual Bearing pada Tanah Pasir
Tabel 10. Data Beban Metode Elemen Hingga pada Tanah Lempung
Tabel 11. Data Beban Metode Elemen Hingga pada Tanah Pasir
No S/Dh ∑Mload (KN/m2) Qult (KN) 1 0,5 30278,647 5942,18 2 1 31567,298 6195,082 3 1,5 32572,058 6392,266 4 2 33627,059 6599,31 5 2,5 34194,538 6710,678 6 3 34883,091 6839,384 7 3,5 35907,198 7046,788
4.2 Pembahasan Hasil Penelitian
Tabel 12. Rekapitulasi Hasil Kapasitas Daya Dukung Ultimate (Qult)
Jenis Tanah S/Dh Metode Cylindrical Shear (KN) Metode Individual Bearing (KN) Metode Elemen Hingga (KN) Tanah Lempung 0,5 854,080 1227,151 1374,151 1 909,030 1172,201 1548,781 1,5 963,980 1117,251 1697,865 2 1018,930 1062,301 1840,604 2,5 1073,880 1007,351 1924,171 3 1128,830 952,401 1960,384 3,5 1183,780 897,451 1977,970 Tanah Pasir 0,5 5899,223 13344,238 5942,180 1 6285,679 13323,033 6195,082 1,5 6623,089 13304,713 6392,266 2 6911,453 13289,278 6599,310 2,5 7150,770 13276,728 6710,678 3 7341,041 13267,063 6839,384 3,5 7482,265 13260,283 7046,788 No S/Dh Qb1 (KN) Qb2 (KN) Qs (KN) Qult (KN) 1 0,5 5302,283 3976,712 88,532 13344,238 2 1 5302,283 3976,712 67,327 13323,033 3 1,5 5302,283 3976,712 49,007 13304,713 4 2 5302,283 3976,712 33,571 13289,278 5 2,5 5302,283 3976,712 21,021 13276,728 6 3 5302,283 3976,712 11,356 13267,063 7 3,5 5302,283 3976,712 4,576 13260,283 No S/Dh ∑Mload (KN/m2) Qult (KN) 1 0,5 7002,044 1374,151 2 1 7891,876 1548,781 3 1,5 8652,050 1697,865 4 2 9378,875 1840,604 5 2,5 9804,695 1924,171 6 3 9989,219 1960,384 7 3,5 10078,829 1977,97
Reka Racana - 10
Untuk mengetahui metode yang paling mendekati metode elemen hingga dapat dilihat pada kurva perbandingan kapasitas daya dukung ultimate dengan rasio jarak (S/Dh) atau dilakukan dengan cara mencari selisih persentase. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada
Tabel 13., Gambar 5., dan Gambar 6.
Tabel 13. Selisih Antara Hasil Metode Elemen Hingga dengan Berbagai Metode
Seperti yang dapat dilihat pada Tabel 13. diatas, metode yang paling mendekati dengan metode Elemen Hingga adalah metode Cylindrical Shear. Hal itu dapat dilihat dari hasil selisih persentasenya yang mendekati nilai nol %, artinya apabila selisih persentasenya bernilai nol %, maka hasil metode tersebut sama dengan hasil metode Elemen Hingga.
Gambar 5. Kurva perbandingan kapasitas daya dukung pada tanah lempung
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Qu lt (K N ) S/Dh Cylindrical Shear Individual Bearing Finite Element Jenis Tanah S/Dh Cylindrical Shear (%) Metode Individual Bearing (%) Metode
Tanah Lempung 0,5 37,847 10,697 1 41,307 24,315 1,5 43,224 34,197 2 44,642 42,285 2,5 44,190 47,648 3 42,418 51,418 3,5 40,152 54,628 Rata-rata 41,968 37,884 Tanah Pasir 0,5 0,723 124,568 1 1,462 115,058 1,5 3,611 108,138 2 4,730 101,374 2,5 6,558 97,845 3 7,335 93,980 3,5 6,180 88,175 Rata-rata 4,371 104,163
Reka Racana - 11
Gambar 6. Kurva perbandingan kapasitas daya dukung pada tanah pasir
Seperti yang dapat dilihat pada Gambar 5. dan Gambar 6., metode cylindrical shear
mempunyai tendensi yang sama dengan metode elemen hingga, yaitu semakin besar rasio jarak (S/Dh) maka semakin besar pula daya dukungnya. Sedangkan pada metode individual bearing tendensi yang dihasilkan berbeda, yaitu semakin besar rasio jarak (S/Dh) maka semakin kecil daya dukungnya.
5. KESIMPULAN
Berdasarkan analisis yang telah dilakukan maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
a. Metode cylindrical shear mempunyai hasil yang berdekatan dengan hasil metode elemen hingga.
b. Hasil analisis daya dukung tanah pasir pada metode cylindrical shear lebih mendekati hasil dari metode Elemen Hingga daripada tanah lempung.
c. Untuk Metode cylindrical shear dan metode Elemen Hingga semakin besar rasio jarak (S/Dh), maka semakin besar pula kapasitas daya dukungnya.
d. Pada metode individual bearing semakin besar rasio jarak (S/Dh), maka nilai daya dukungnya semakin kecil.
e. Nilai kapasitas daya dukung metode cylindrical shear dihasilkan dari penjumlahan nilai daya dukung ujung, daya dukung selimut tiang, dan daya dukung silinder.
f. Nilai kapasitas daya dukung pada metode individual bearing dihasilkan dari nilai daya dukung ujung yang berdasarkan jumlah helix lalu jumlahkan dengan nila daya dukung selimut.
DAFTAR RUJUKAN
Clayton, D. J. (2005) “Basic Helical Screw Pile Design” ECP Torque Anchor Brand of Helical Screw Piles, Texas.
Barbour, S.L., Bathurst, R.J., Boone, S., Brachman, R.W.I, Brockbank, B., Diederichs, M., El Naggar, M.H., Fannin., Fredlund, D., Howie., Hutchinson., Konrad, J.M., Leroueil S., Novakowski, K., and Shang. (2006) “Canadian Foundation Engineering Manual” 4th
Edition , Canadian Geotechnical Society, Barbara Goulet, Alberta. 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Qult (K N) S/Dh Cylindrical Shear Individual Bearing Finite Element
Reka Racana - 12
Bund, T., (2013) “Numerical Modeling of Single Helical Pile Behavior under Compressive Loading in Sand” Electronic Journal of Geotechnical Engineering, vol 18 pp .4320 – 4336.
Perko, H. A. (2009) “Helical Piles: Bearing Capacity.” John Wiley and Sons, Inc, pp 103-149. Rao, N. S. V. K. (2011). “Foundation Design : Theory and Practice.” John Wiley Sons (Asia),
Singapore.
PLAXIS b.v. (2013), PLAXIS Anniversary Edition, PLAXIS BV, Netherlands.
Sego, D. C. and Tappenden Kristen M. (2007). “Predicting The Axial Capacity Of Screw Piles Installed In Canadian Soils” OttawaGeo2007 Journal, pp. 1608 – 1615.
Winterkorn, H. F., and Fang, H. Y, Ed. (1975). “Foundation engineering handbook”, Van Nostrand Reinhold Company, New York, 751 pp.
Mitsch, M.P., and Clemence, S.P. (1985). “Uplift capacity of anchor foundations in soil”, ASCE, pp. 26-47.
