I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Ilmu struktur dan mekanika bahan telah mengalami evolusi sejak ribuan tahun lalu. Namun pengembangan ilmu ini masih terus-menerus dilakukan untuk memperoleh metode yang paling tepat untuk merencanakan struktur secara aman, hemat sumberdaya, dan paling mendekati kondisi lapangan selama masa layannya. Secara umum analisis struktural dititikberatkan pada lima kategori yaitu gaya dan momen eksternal, gaya dan momen internal, tegangan (stress), regangan (strain), serta perubahan bentuk (displacement, deformasi). Urutan logis yang dilakukan pada analisis struktur disajikan pada Gambar 1.
Gambar 1. Alur logis pada analisis struktur (Vable 2007)
Meskipun seluruh point pada analisis struktur merupakan sebuah rangkaian utuh yang harus diperhatikan, namun sangat jarang pemilihan material dilakukan sebagai salah satu pertimbangan desain. Pada umumnya material yang akan digunakan adalah material yang tersedia saja meskipun belum diketahui sifat-sifat detilnya. Akibat keterbatasan pengetahuan atas sifat material, yang merupakan faktor penting untuk melakukan pemodelan material dalam analisis struktur, sangat sulit melakukan perhitungan perencanaan yang mendekati kondisi sebenarnya. Untuk mengatasi keterbatasan itu, penelitian bersama yang dilakukan oleh para ahli dari multidisiplin perlu dilakukan secara berkelanjutan.
Gaya & momen Eksternal
Perubahan Bentuk
Gaya & momen Internal Tegangan Regangan Kinematika P emo d el an M at er ia l Persamaan statis K eset imb an g an
Sebagai salah satu hasil penelitian multidisiplin pada bidang teknik sipil dan perkayuan, pada tahun 1995, American Forest and Paper Association (AFPA) dan
American Society of Civil Engineers (ASCE), secara bersama-sama telah mengeluarkan Standard for Load and Resistance Factor Design (LRFD) for Engineered Wood Construction. Hampir seluruh standar ini berisikan tata cara perencanaan struktur,
sementara sifat-sifat kayu sebagai material struktur hampir tidak tersentuh. Oleh karena itu selama lebih dari sepuluh tahun standar ini tidak dapat diaplikasikan, dan masih menggunakan National Design Specification (NDS) for Wood Construction yang menganut format Allowable Stress Design (ASD) untuk merencanakan struktur kayu. Baru pada tahun 2005, dengan diterbitkannya NDS 2005, LRFD telah diakomodasi sebagai format alternatif perencanaan struktur kayu bersama-sama dengan ASD. NDS 2005 dilengkapi dengan suplemen yang menyajikan sifat-sifat mekanis kayu gergajian dan glulam struktural, yang sangat diperlukan pada perencanaan struktur.
NDS 2005 memberikan kesempatan kepada perencana untuk memilih salah satu format (ASD atau LRFD) untuk merencanakan struktur kayu. Agar perencana dapat memilih format terbaik untuk merencanakan struktur kayu, maka diperlukan pemahaman yang baik tentang kedua format tersebut. Persamaan dan perbedaan kedua format perlu diidentifikasi sehingga kelebihan dan kekurangannya dapat diketahui untuk selanjutnya menjadi bahan pertimbangan dalam memilih format yang sesuai.
Menurut sejarah (Barczack dan Tadolini 2007), pancang dan struktur cribbing kayu (Gambar 2) telah digunakan sejak lama sebagai penyangga di terowongan dan sumur-sumur pertambangan. Pada struktur ini kekakuan batang harus disesuaikan dengan reaksi tanah untuk mencegah kerusakan dini pada atap dan lantai karena penyangga terlalu kaku, atau kerusakan atap karena penyangga terlalu lunak.
Baru pada tahun 1990-an dikembangkan alternatif pengganti struktur ini seperti
Confined Core Crib (3C) support, Can support, Hercules and Link-N-Lock wood crib,
dan Propsetter support. (Gambar 3). Struktur pengganti tersebut telah digunakan di berbagai lokasi pertambangan di USA, tetapi hampir seluruhnya menghadapi permasalahan teknis. 3C support merupakan baja terkorugasi (corrugated steel) yang diisi dengan kerikil berukuran kurang dari 7,6 cm yang biasanya tersedia di lokasi pertambangan. 3C support umumnya sangat lentur karena besarnya rasio rongga antar kerikil di dalamnya. Sebagai kelanjutan 3C support, Can support dikembangkan dan
kini menjadi struktur penyangga yang dominan dipakai di pertambangan sebelah barat Amerika.
(A) (B)
Gambar 2. Struktur (A) Cribbing Kayu dan (B) Pancang di Terowongan Pertambangan Amerika Bagian Barat. (Barczak dan Tadolini, 2007)
(A) (B)
(C) (D) (E)
Gambar 3. Struktur (A) Confined Core Crib, (B) Can Support, (C) Hercules Crib, (D)
Namun demikian kedua struktur ini pada prakteknya tidak dapat berdiri sendiri dan tetap memerlukan cribbing kayu sebagai pengantar beban dari atap ke penyangganya. (Gambar 3). Propsetter support merupakan salah satu alternatif yang dikembangkan pada pertengahan 1990-an oleh Strata Products dan telah menjadi salah satu penyangga terowongan pertambangan di bagian timur Amerika. Namun demikian pemakaiannya di bagian Barat sangat terbatas karena kurang stabil dan hasilnya kurang baik untuk ketinggian terowongan + 3,05 m. Beberapa teknologi lain (seperti: Mega Prop,
Variable Yielding Crib, dan Power Crib) belum terbukti efektif sebagai penyangga yang
baik, dan bahkan belum digunakan secara praktis di lapangan.
Penyempurnaan penyangga terowongan terus-menerus dilakukan sehingga muncul produk berlisensi paten seperti Cribbing (Chlumecky 1986 dan 1985), Yieldable confined
core mine roof support (Frederick 1994), Yielding Column (Calhoun 2003a dan 2003b), Yieldable Mine Roof Support (Kennedy dan Kennedy 2002), Yieldable Mine Post Having a Double Ball and Socket Configuration (Huntsman 1996), Variable Yielding Mining Crib Support Column (Kitchen 1995), Yieldable Roof Support System (Shawwaf, et al
1995), Yieldable mine post (Seegmiller 1991), Mine Roof Support System (Castle dan Scot, 1995), dan Mine Prop (Harbaugh dan Lash 2005). Desain dan produk tersebut berbahan beton bertulang baja, pipa baja terkorugasi atau pipa elastis yang diisi kerikil dan batu-batu kecil. Instalasi cribbing berbahan beton memerlukan alat khusus seperti
Stacking Device for Mine Cribbing (McBirnie 1992) dan Mine Cribbing Device and Methods (Deul 1992).
Pada 15th Ground Control Conference didiskusikan desain penyangga kayu untuk meningkatkan kekakuan struktur cribbing kayu, termasuk desain Hercules dan
Link-N-Lock wood cribbing (Barczack dan Tadolini 2007). Meskipun telah terjadi perbaikan
kekakuan dan stabilitasnya dibandingkan cribbing kayu konvensional, keterbatasan ketersediaan kayu berkualitas tinggi di Amerika Serikat menyebabkan struktur ini jarang digunakan. Rangkaian penelitian teknologi ini masih terus dilakukan, sehingga dipatenkan beberapa cribbing kayu, antara lain: Column Cribbing System (Marianski dan Marianski 2000), Mine Roof Support Crib Having Only Two or Three Planes, and
Methods (McCartney 2002), Pyramid Crib Blocks (Heckford 2002), dan Earthquake support for structure having bottom beams (Schulte 1992). Cribbing kayu berlisensi
Penggunaan balok kayu saat ini sudah sangat terbatas karena keterbatasan balok kayu berkualitas tinggi dan berukuran besar. Bahkan di Indonesia yang merupakan negara megabiodiversity sudah mengalami kesulitan menyediakan balok kayu berkualitas tinggi dan berukuran besar karena semakin terbatasnya penebangan hutan alam. Sementara itu penggunaan bahan beton bertulangan baja, pipa baja terkorugasi, dan pipa elastomer kurang sesuai diterapkan di Indonesia karena mahalnya biaya pembelian bahan dan instalasi yang tidak sederhana. Pemanfaatan kelapa gelondongan (gelugu) untuk cribbing dengan cara menyusun tumpukan gelugu dapat menjadi alternatif yang memadai karena murah, sederhana, dan mudah diaplikasikan. Kebutuhan tenaga kerja yang lebih banyak pada saat instalasi tumpukan gelugu dibanding instalasi penyangga pipa baja dan pipa elastomer dapat diatasi dengan mekanisme padat karya yang sangat sesuai dengan kondisi Indonesia.
Gelugu merupakan salah satu material alternatif untuk struktur penyangga
terowongan. Berbeda dengan balok kayu, gelugu mempunyai penampang berbentuk lingkaran. Gelugu memiliki bentuk silindris dan sifat-sifat khas sehingga diperlukan teknik baru mendesain tumpukan gelugu yang dapat dipergunakan untuk penyangga terowongan pertambangan. Dari penelitian ini diharapkan dihasilkan sebuah teknologi tepat guna yang dapat diaplikasikan secara mudah dan sederhana pada terowongan pertambangan. Seluruh komponen teknologi ini dapat diperoleh di Indonesia, bahkan mungkin sekali di dekat lokasi pertambangan, sehingga secara ekonomis menguntungkan masyarakat sekitar maupun perusahaan pertambangan. Dengan membangun tumpukan gelugu diharapkan perusahaan pertambangan mendapatkan alternatif pengganti struktur cribbing balok kayu ukuran besar yang selama ini digunakan, sehingga tidak lagi mengalami kesulitan mendapatkan supply balok kayu. Lebih lanjut, teknologi ini diharapkan mampu mengurangi atau bahkan mencegah terjadinya import penyangga terowongan berlisensi paten luar negeri seperti 3C support,
Can support, maupun Propsetter support..
Selain dimanfaatkan untuk penyangga terowongan pertambangan, teknologi
tumpukan gelugu potensial diaplikasikan sebagai penyangga jembatan darurat,
penyangga sementara pada pembangunan terowongan jalan raya dan gorong-gorong ukuran besar, serta perancak (scarfolding) pada proyek pembangunan gedung-gedung pencakar langit yang memerlukan penyangga tidak permanen berkekuatan tinggi.
Selain berkekuatan tinggi, tumpukan gelugu terhindar dari tekuk sehingga sangat baik untuk penyangga sementara pada proyek-proyek berat yang memerlukan presisi cukup tinggi. Tumpukan gelugu dapat pula dipergunakan sebagai penyangga rumah panggung tahan gempa.
B. Perumusan Masalah
Untuk dapat mendesain struktur dengan baik, sifat-sifat material yang akan dipergunakan sebagai bahan baku harus diidentifikasi dengan baik. Beberapa sifat fisis dan mekanis kayu kelapa ukuran contoh kecil bebas cacat (ckbc) telah diteliti dengan rinci pada penelitian-penelitian terdahulu. Wardhani (2005) telah melakukan kajian sifat dasar secara mendetail pada ckbc dari setiap bagian pohon kelapa. Namun demikian untuk dapat diaplikasikan pada komponen struktur, pengetahuan tentang sifat dasar gelugu masih sangat diperlukan, sementara itu data ini belum tersedia. Pengujian destruktif dengan menguji gelugu tidak feasible karena memerlukan tenaga dan biaya tinggi. Salah satu alternatif untuk mendapatkan informasi sifat mekanis gelugu adalah dengan memanfaatkan sifat dasar kayu kelapa ckbc dan merekonstruksinya dengan menempatkannya pada posisinya semula di dalam batang. Kerapatan dan sifat mekanis
gelugu diestimasi melalui persamaan-persamaan matematis yang diturunkan
berdasarkan prinsip-prinsip mekanika, kalkulus dan geometri analitis, serta statistika. Sifat mekanis gelugu hasil rekonstruksi dimanfaatkan sebagai data dasar untuk mendesain tumpukan gelugu. Desain tumpukan gelugu menggunakan format ASD dan LRFD sesuai dengan National Design Specification (NDS) 2005. Format ASD merupakan format desain yang telah lama berkembang di berbagai belahan dunia, sedangkan LRFD baru-baru saja berkembang. Setelah tertinggal selama puluhan tahun, konstruksi kayu di Indonesia mencoba mengadopsi LRFD dengan cara menyusun Rancangan Standar Nasional Indonesia (RSNI) Tata Cara Perencanaan Konstruksi Kayu Indonesia. RSNI tersebut diinisiasi sejak tahun 1999 oleh Sub Panitia Teknik Bangunan dan Konstruksi Departemen Pemukiman dan Prasarana Wilayah, dibantu oleh narasumber dari berbagai instansi untuk menggantikan Peraturan Konstruksi Kayu Indonesia (PKKI) NI-5 yang diterbitkan tahun 1961. Draft RSNI tersebut berhasil diselesaikan pada tahun 2002 namun hingga kini belum terbit SK SNI-nya. Draft RSNI Tata Cara Perencanaan Konstruksi Kayu Indonesia mengadopsi langsung Standard for
Load and Resistance Factor Design (LRFD) for Engineered Wood Construction yang
diterbitkan bersama oleh AFPA dan ASCE pada tahun 1995, dengan beberapa detil penyesuaian, terutama pada bagian kuat acuan material. RSNI ini merupakan lompatan besar bagi masyarakat konstruksi kayu di Indonesia karena perbedaan prinsipil dengan peraturan sebelumnya. Oleh karena itu sosialisasinya bukanlah pekerjaan yang mudah. Agar LRFD sebagaimana diamanatkan RSNI Tata Cara Perencanaan Konstruksi Kayu dapat diaplikasikan di Indonesia, contoh desain yang menggunakan format LRFD perlu dipopulerkan. Penelitian ini juga dimaksudkan untuk memberikan contoh desain dalam format LRFD, dan perbandingannya dengan ASD.
C. Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk mengestimasi kerapatan dan sifat mekanis kelapa gelondongan dengan cara rekonstruksi, kemudian mendesain tumpukan gelugu untuk penyangga terowongan menggunakan format ASD dan LRFD. Tiga desain alternatif yaitu tumpukan gelugu tunggal, tumpukan gelugu berseling, dan tumpukan gelugu berseling ganda dianalisis untuk mendapatkan desain yang paling efisien.
D. Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan menghasilkan sebuah teknologi tepat guna yang murah namun tetap handal untuk penyangga terowongan pertambangan dengan menggunakan gelugu sebagai bahan baku untuk membangun tumpukan gelugu. Tumpukan gelugu dapat menjadi alternatif pengganti cribbing balok kayu ukuran besar yang selama ini digunakan, sehingga perusahaan tidak lagi mengalami kesulitan mendapatkan supply balok kayu tersebut. Lebih lanjut dengan ditemukannya teknologi tumpukan gelugu,
import penyangga terowongan produksi luar negeri dapat dikurangi atau bahkan
