Analisis Perilaku Pile Cap dari Group Tiang Terhadap Beban Lateral
Statis: Studi pada Tanah Lempung dengan Memperhatikan ‘Shadowing
Effect’
Tommy Ilyas
Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Jakarta
Hardjanto
Peserta Program Pasca Sarjana, FTUI, Jakarta
ABSTRAK: Pile cap mempunyai fungsi untuk menyebarkan beban ke pile group. Setiap tiang pada pile group, mempunyai variasi tegangan yang berbeda karena soil-piles interactions yang mengakibatkan terjadinya ‘shadowing effect’. Gaya masing-masing pile pada posisi lead, trail maupun rear berbeda-beda besarnya walapun denahnya simetris. Dalam studi ini dianalisis pengaruh perbedaan besar gaya tersebut pada pile cap.
Pemodelan pile cap dilakukan dengan menggunakan software FL-PIER dengan dua ketebalan, 2D dan 3.5D, dimana D adalah diameter tiang pancang.
Defleksi yang terjadi pada pada pile cap dengan ketebalan 2D pada lead pile lebih besar dari defleksi pile cap dengan ketebalan 3.5D pada posisi lead pile. Momen lentur pile cap pada posisi lead pile juga lebih besar daripada posisi rear dan posisi trail, baik pada pile cap dengan ketebalan 2D maupun 3.5D. Momen lentur yang terjadi lebih besar pada pile cap dengan ketebalan 3.5D daripada pile cap dengan ketebalan 2D untuk pile grup 2x1 dan 6x3.
Kata Kunci : pile cap, defleksi, momen lentur
ABSTRACT: Pile cap has a function of continuing the loads to an individual pile of piles group. Each piles has various stress caused by soil-piles interactions which causes shadowing effect. The piles forces at lead, rear and trail position are different. The present study analyze the different response of individual pile to the pile cap.
The pile cap modeling of thickness 2D and 3D uses FL-PIER, where D is pile diameter.
Deflection of pile cap of 2D thickness at lead pile appears greater than 3.5D. Moment of pile cap on lead pile position is always greater than it is on the rear position, for both 2D and 3.5D of thickness. Moment of pile cap at 3.5D thickness is always greater than 2D thickness of 2x1 and 6x3 piles groups.
Keywords: pile cap, deflection, bending moment
1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Tiang pancang umumnya disatukan oleh sebuah pile cap. Hal itu mempunyai tujuan agar beban vertikal maupun lateral terdistribusi merata pada setiap pile. Dari penelitian Beatty (1970), Kim dan Singh (1974), Rollin et. al. (1997) serta Duncan dan Vanderpool (1998) diketahui bahwa pile cap mempunyai kontribusi yang cukup signifikan dalam kaitannya dengan beban lateral. Beban lateral statis bisa membuat pile cap retak pada bagian bawah pile cap, terutama pada sambungan pile cap dengan tiang pancang. Mokwa dan Duncan (1999) menguji tiga puluh satu grup tiang yang dimaksudkan untuk mengevaluasi tahanan beban lateral pile cap dengan
membandingkan respon grup tiang dengan pile cap yang tertanam penuh dan dengan tanah yang dihilangkan dari sekeliling pile cap. Hasil uji menunjukkan, bahwa pile cap menyediakan tahanan yang cukup signifikan terhadap beban lateral. Beban lateral statis memberikan pengaruh interaksi tanah-tiang. Interaksi tanah-tiang mengakibatkan ‘shadowing effect’ pada grup tiang. ‘Shadowing effect’ tentunya akan memberikan pengaruh terhadap kinerja pile cap.
1.2 Maksud dan Tujuan
Penelitian ini dimaksudkan untuk mengetahui pengaruh ‘shadowing effect’ terhadap pile cap dari suatu pile grup. Dengan menggunakan bantuan
program FL-PIER dan data pile grup yang terdiri dari 3 jenis tiang pancang, diperoleh nilai defleksi dan momen lentur yang terjadi pada pile cap.
1.3 Ruang Lingkup
Pembahasan analisis ini meliputi hal-hal sebagai berikut:
• Penentuan dimensi pile cap dan grup tiang serta susunan geometrinya
• Penentuan material properti dan penempatan dari pile cap dan muka tanah
• Penentuan data pembebanan untuk analisis meliputi besar dan arah beban.
• Penentuan property tanah untuk menganalisis soil-piles interactions
• Analisis pengaruh ‘shadowing effect’ terhadap pile cap dengan data tersebut menggunakan program FL-PIER.
2. METODE ANALISIS 2.1 FL-PIER
FL-PIER adalah program finite elemen nonlinier yang dirancang untuk menganalisis struktur pier jembatan hasil komposisi kolom pier dan pier cap yang didukung oleh pile cap dan tiang nonlinier dan tiang nonlinier. FLP-PIER membuat turunan model finite elemen internal yang diberikan dalam bentuk deformasi geometris sistim fondasi dan struktur seperti pada input secara grafis. FL-PIER dapat memodelkan grup tiang, spasi antar tiang dan missing pile dalam pile grup. FL-PIER juga mampu memodelkan lapisan tanah dengan variasi kedalaman yang berupa pasir atau lempung dengan menggunakan kurva p-y. Interaksi tanah lateral dan aksial dimodelkan dengan spring tanah nonlinier dan dengan kekakuan aksial dari kurva t-z dan Q-z pada tip dan kekakuan lateralnya diperoleh dari kurva p – y. Untuk torsinya menggunakan kurva t - θ.
Gambar 1 Interaksi tiang-tanah
Asumsi-asumsi yang digunakan dalam FL-PIER • Sistim lapisan tanah dianggap horisontal dan
memanjang tak hingga dalam arah horisontal • Setiap lapisan tanah dinyatakan oleh
ketebalan h, modulus geser, kepadatan massa, serta poisson ratio.
• Respon pile cap adalah akibat soil-pile interaction.
Output yang dihasilkan FL-PIER, antara lain:
• Kurva defleksi grup tiang versus kedalaman • Kurva momen grup tiang versus kedalaman • Defleksi pile cap versus panjang pile cap • Momen lentur pile cap versus panjang pile
cap
2.2 Model Geometri
Untuk mengetahui kinerja pile cap akibat ‘shadowing effect’, ditinjau 2 variasi ketebalan pile cap terhadap pile grup yang diharapkan akan memberikan karakteristik ‘shadowing effect’ yang berbeda.
Gambar 2. Pile grup menerima beban vertikal dan lateral
Agar lebih mengetahui pengaruhnya langsung terhadap pile cap, dipelajari 3 jenis grup tiang pancang yang berbeda. Hal ini dimaksudkan untuk melihat karakteristik pile cap pada tingkat tegangan yang berbeda pada masing-masing tiang. Spesifikasi tiang pancang yang dipakai:
Type tiang L (m) Bentuk penampang Dimensi (mm) Kapasitas aksial (kN) Kapasitas lateral (kN) Driven pile 15 Bujur sangkar 450 x 450 1250 30 Bor pile 15 Lingkaran ∅ 400 1600 30 Spun
pile
15 Lingkaran ∅ 400 800 120
Spesifikasi pile cap yang dipakai:
Pile cap 1 (3,5D) Pile cap 2 (2D)
Grup Tiang 2 x 1 (mm) (mm) Driven piles 1800 x 900 x 1500 1800 x 900 x 900 Bor piles 1800 x 900 x 1400 1800 x 900 x 800 Spun piles 1800 x 900 x 1400 1800 x 900 x 800 Grup Tiang 6 x 3 Driven piles 5800 x 2900 x 1500 5800 x 2900 x 1500 Bor piles 5800 x 2900 x 1400 5800 x 2900 x 1400 Spun piles 5800 x 2900 x 1400 5800 x 2900 x 1400
Tabel 2. Dimensi pile cap
2.3 Soil-Piles Interactions
Interaksi tiang-tanah didapatkan dengan memodelkan tiang secara linier pada tanah non-linier. Interaksi tiang-tanah dikarakteristikan dengan spring non-linier. Grup tiang juga mendapat beban aksial. Interaksi tiang-tanah aksial dimodelkan dengan kurva hiperbolik t-z, dan interaksi tiang-tanah lateral dimodelkan dengan kurva p-y non-linier. Grup tiang diasumsikan tidak mengalami penurunan akibat tanah lunak pada ujungnya dengan lapisan tanah pada ujung tiang mempunyai N-SPT >50. Kedalaman (m) 0 Clay N = 1 s/d 2 γ = 16 kN/m3 φ = 5° Cu = 10 kN/m2 7.5 Clay N = 4 γ = 16 kN/m3 Cu = 40 kN/m2 10 Sandy Silt N = 10 s/d 20 γ = 16 kN/m3 Cu = 100 kN/m2 15 Clayey Sand N = 30 s/d 50 γ = 16 kN/m3 Cu = 300 kN/m2 20
Sand, Clayey Sand N ≥ 50
γ = 18 kN/m3 φ = 45° E = 30 Mpa υ = 0,2
Gambar 3. Profil Tanah
3. ANALISIS FL-PIER
Analisis dilakukan pada pile cap berukuran 2 x 1 dan 6 x 3 dengan pile grupnya. Parameter yang penting dalam penelitian ini adalah defleksi dan momen lentur dari pile grup dan pile cap. Defleksi dan momen lentur didapatkan dengan memberikan sebanyak mungkin missing pile pada geometri pile cap.
4. ANALISIS
Hasil analisis nonlinier yang dilakukan dengan bantuan FL-PIER adalah sebagai berikut:
• Defleksi pile grup versus kedalaman
• Defleksi pile cap versus panjang pile cap yang didapat dari FL-PIER pada setiap grup pile
• Momen pile cap versus panjang pile cap • Tegangan tiang versus momen pile cap. 4.1 Defleksi Pile Cap
Defleksi pile grup 2x1 dengan driven pile, pile spun dan bore pile dapat dilihat pada Gambar 4a, 4b dan 4c. Akibat shadowing effect pada pile grup 2x1 dengan beban 56 kN, menunjukkan adanya perbedaan tegangan pada lead pile dan trail pile. Defleksi pada tiang driven pile Gambar 4a, dengan letak dasar pile cap pada muka tanah adalah sebesar -18 mm pada posisi lead pile, dan sebesar 3,5 mm pada posisi trail pile pada ketebalan pile cap 2D. Sedang pada ketebalan 3,5D 4 mm pada trail pile dan -19 mm pada lead pile. Pada tiang bor Gambar 4c, didapat posisi lead pile 2,5 mm dan trail pile -1,6 mm untuk ketebalan 2D dan lead pile -2,5 mm dan trail pile -1,5 mm untuk ketebalan 3,5D. Pada tiang spun pile Gambar 4b, didapat posisi lead pile -2,4 mm dan trail pile -1,6 mm untuk ketebalan 2D dan lead pile -2,6 mm dan trail pile -1,5 mm untuk ketebalan 3,5D. Perilaku yang sama diperoleh Mokwa, (2001) dalam penelitiannya mengenai tahanan lateral pile cap. Defleksi pile cap cenderung membesar kearah lead pile baik untuk grup tiang dengan driven pile, spun pile maupun bor pile.
Defleksi Pile cap pada beban lateral 56 kN
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 0.00 0.45 0.90 1.35 1.80 2.25 D ef lek si ( m m ) 2D 3.5D
Gambar 4a. Defleksi pile cap dari pile grup 2x1 menggunakan driven pile, pile cap terletak pada
Gambar 4b. Defleksi pile cap dari pile grup 2x1 menggunakan spun pile, pile cap terletak
pada muka tanah
Gambar 4c. Defleksi pile cap dari pile grup 2x1 menggunakan Bor pile, pile cap terletak
pada muka tanah
Pada Gambar 5a, 5b dan 5c digambarkan kelompok 6x3 tiang pancang. Kelompok tiang driven pile, Gambar 5a dengan kedudukan dasar pile cap dimuka tanah dibebani sebesar 576 kN, defleksi sebesar –2,5 mm terjadi pada posisi lead pile, -2,7 mm pada rear pile dan -2.4 mm pada posisi trail pile, untuk ketebalan pile cap 2D. Sedangkan untuk ketebalan 3,5D, defleksi sebesar -1 mm terjadi pada posisi lead pile, -1,2 mm pada rear pile dan -1,1 mm pada posisi trail pile. Pada bor pile, Gambar 5b defleksi sebesar -3,2 mm terjadi pada posisi lead pile, -3,4 mm pada rear pile dan -3,3 mm pada posisi trail pile, untuk ketebalan pile cap 2D. Sedangkan untuk ketebalan 3,5D defleksi sebesar -3 mm terjadi pada posisi lead pile, 3,2 mm pada rear pile dan -2,8 mm pada posisi trail pile. Pada spun pile Gambar 5c defleksi sebesar -3,3 mm terjadi pada posisi lead pile, -3,6 mm pada rear pile dan -3,4 mm pada posisi trail pile, untuk ketebalan pile cap 2D. Sedangkan untuk ketebalan 3,5D defleksi sebesar -3 mm terjadi pada posisi lead pile, -3,4 mm pada rear pile dan -2,7 mm pada posisi trail pile. Berbeda dengan grup tiang 2x1, defleksi pile cap cenderung membesar kearah rear pile baik untuk grup tiang dengan driven pile, spun pile maupun bor pile.
Defleksi pile cap pada beban lateral 56 kN
-3 -2.5 -2 -1.5 -1 0 1 D ef lek si ( m m )
Defleksi vertikal pada Pile cap pada beban lateral 42 kN
-3.40 -3.10 -2.80 -2.50 -2.200.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 D e fl e k s i (m ) 2D 3.5D 2 2D 3.5D
Defleksi Pile cap pada beban lateral 576 kN
-3.20 -2.90 -2.60 -2.30 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 D e fl ek si ( m m ) 2D 3.5D
Gambar 5a. Defleksi pile cap dari pile grup 6x3 menggunakan driven pile, pile cap terletak
pada muka tanah
Gambar 5b. Defleksi pile cap dari pile grup 6x3 menggunakan spun pile, pile cap terletak
pada muka tanah
Gambar 5c. Defleksi pile cap dari pile grup 6x3 menggunakan bor pile, pile cap terletak
pada muka tanah 4.2. Momen Pile Cap
Perbedaan tegangan yang ada pada lead pile dan trail pile juga mengakibatkan momen yang besarnya berbeda pada pile cap. Pada kelompok 2 tiang driven pile Gambar 6a, dihasilkan momen pile cap sebesar –14,43 kN.m pada posisi lead pile dan sebesar 5,71 kN.m pada posisi trail pile. Sedang pada ketebalan 3,5D 30,19 kN.m pada trail pile dan -20,97 kN.m pada lead pile. Pada tiang bor Gambar 6b, didapat posisi lead pile –14,43 kN.m dan trail pile 5,71 kN.m untuk ketebalan 2D dan lead pile – 20,96 kN.m dan trail pile 30,18 kN.m untuk ketebalan 3,5D. Pada tiang spun pile Gambar 6c, didapat besaran momen pada posisi lead pile –14,43 kN.m dan trail pile 5,71 kN.m untuk ketebalan 2D dan lead pile –20,96 kN.m dan trail pile 5,71 kN.m
Defleksi pile cap pada beban lateral 56 kN
-3 -2.5 -2 -1.5 -1 0 1 D ef lek si ( m m ) 2 2D 3.5D
Defleksi Pile cap pada beban lateral 576 kN
-3.20 -2.90 -2.60 -2.30 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 D e fl ek si ( m m ) 2D 3.5D Defleksi vertikal Pile cap pada beban lateral 576 kN
-4.00 -3.70 -3.40 -3.10 -2.80 -2.50 -2.200.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 D e fl e k s i (m m ) 2D 3.5D
Defleksi vertikal Pile cap pada beban lateral 576 kN
-4.00 -3.70 -3.40 -3.10 -2.80 -2.50 -2.20 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 Def lek si ( m m ) 2D 3.5D
untuk ketebalan 3,5D.
Gambar 6a. Momen lentur pile cap dari pile grup 2x1 menggunakan driven pile.
Gambar 6b. Momen lentur pile cap dari pile grup 2x1 menggunakan bor pile, pile cap terletak
pada muka tanah
Gambar 6c. Momen lentur pile cap dari pile grup 2x1 menggunakan spun pile, pile cap terletak
pada muka tanah
Pada Gambar 7a, 7b adan 7c diperlihatkan momen lentur pada kepala tiang untuk grup tiang 6x3 baik driven pile, spun pile maupun bor pile. Pada grup tiang pancang driven pile Gambar 7a dengan kedudukan dasar pile cap dimuka tanah dibebani sebesar 576 kN, momen lentur sebesar -151 kN.m terjadi pada posisi lead pile, -419 kN.m pada rear pile dan -134.4 kN.m pada posisi trail pile, untuk ketebalan pile cap 2D. Sedangkan untuk ketebalan 3,5D momen lentur sebesar –217,07 kN.m terjadi pada posisi lead pile, -420,4 kN.m pada rear pile dan -271,2 kN.m pada posisi trail pile. Pada bor pile Gambar 7b momen lentur sebesar -123,2 kN.m terjadi pada posisi lead pile, -320 kN.m pada rear pile dan –40,5 kN.m pada posisi trail pile, untuk ketebalan pile cap 2D. Sedangkan untuk ketebalan
3,5D momen lentur sebesar –124,2 kN.m terjadi pada posisi lead pile, -390 kN.m pada rear pile dan – 156,4 kN.m pada posisi trail pile. Pada spun pile Gambar 7c momen lentur sebesar –214,87 kN.m terjadi pada posisi lead pile, -321 kN.m pada rear pile dan –40,58 kN.m pada posisi trail pile, untuk ketebalan pile cap 2D. Sedangkan untuk ketebalan 3,5D momen lentur sebesar –244,99 kN.m terjadi pada posisi lead pile, -387 kN.m pada rear pile dan – 141,07 kN.m pada posisi trail pile.
Momen lentur pada Pile cap pada beban lateral 56 kN
-65 -45 -25 -5 15 35 55 0.00 0.45 0.90 1.35 1.80 2.25 M om e n Le nt u r ( k N m ) 3.5D 2D
Momen lentur Pile cap pada beban lateral 576 kN
-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 M om e n Le n tur ( k Nm ) 3.5D 2D
Momen lentur pile cap pada beban lateral 56 kN
-75 -55 -35 -15 5 25 45 65 85 0.00 0.45 0.90 1.35 1.80 2.25 M om e n Le nt ur ( k N m ) 3.5D 2D
Gambar 7a. Momen lentur pile cap dari pile grup 6x3 menggunakan driven pile, pile cap terletak
pada muka tanah
Momen lentur pile cap pada beban lateral 56 kN
-75 -55 -35 -15 5 25 45 65 85 0.00 0.45 0.90 1.35 1.80 2.25 M om e n L e nt ur ( k N m ) 3.5D 2D
Momen vertikal Pile cap pada beban lateral 56 kN
-75 -45 -15 15 45 75 0.00 0.45 0.90 1.35 1.80 2.25 M ome n l e ntur (k N m ) 3.5D 2D
Momen vertikal Pile cap pada beban lateral 576 kN
-500 -400 -300 -200 -100 0 100 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 M om e n l e nt u r ( k N .m ) 3.5D 2D
Gambar 7b. Momen lentur pile cap dari pile grup 6x3 menggunakan bor pile, pile cap terletak
pada muka tanah
Momen vertikal Pile cap pada beban lateral 576 kN
-500 -400 -300 -200 -100 0 100 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 M o m e n l e ntur ( k N .m ) 3.5D 2D
Gambar 7c. Momen lentur pile cap dari pile grup 6x3 menggunakan spun pile, pile cap terletak
6 KESIMPULAN DAN SARAN 6.1 Kesimpulan
• Rotasi pile cap dengan ketebalan 3,5D lebih besar daripada pile cap dengan ketebalan 2D. Hal tersebut terlihat dari selisih defleksi pile cap pada ketebalan 3,5D ternyata lebih besar daripada selisih defleksi pada ketebalan 2D pada kondisi tanah soft clay pada posisi penempatan pile cap dipermukaan tanah, serta menggunakan ketiga jenis tiang pancang; driven pile, bor pile dan spun pile. • Momen yang terjadi pada pile cap dengan
ketebalan 3,5D lebih besar daripada momen pile cap dengan ketebalan 2D, pada posisi pile cap dipermukaan tanah, serta dengan pemakaian ketiga jenis tiang pancang; driven pile, bor pile dan spun pile.
• Terjadi pembesaran momen negatif pada daerah antara 2 tiang pancang akibat gaya lateral yang bekerja.
6.2 Saran
• Perbedaan defleksi yang terjadi pada pile cap yang tebal perlu dipertimbangkan pada disain struktural.
DAFTAR PUSTAKA
BOWLES, J.E., “Foundation Analysis and Design” 4th ed., McGraw-Hill Inc., 1988.
CONDUTO, D. P., “Foundation Design”, Principles & Practices, Prentice-Hall, Inc. A Simon & Schuster Company, Englewood City, 1994.
DUNHAM, C. W., “Foundation of Structures”, 2nd ed., Mc Graw-Hill Inc., USA, 1962.
FB-PIER, Users Guide & Manual For The Analysis of
Group Pile Foundations, Florida Department of
Transportation and the Federal Highway Administration, January 2002.
HETENYI, “Beams on Elastic Foundation”, John Willey & Sons, Canada, 1974.
Anonim, “Bridge Substructure, Highway Engineering”, JICA, 1977.
KIM, J. B., “Pile Caps Subjected to lateral Loads”, Analysis and Design of Pile Foundations, Joseph R. M. Editor, ASCE, San Fransisco, California, October 1984.
KUZMANOVIC, B. O. and SANCHEZ M. R., “Design of
Bridge Pier Pile Foundation for Ship Impact”, Journal
of Structural Engineering, ASCE, Vol. 118, No. 8, August 1992.
MOKWA, R. L. and DUNCAN J. M., “Experimental
Evaluation of Lateral-Load Resistance of Pile Caps”,
Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vo. 127, No. 2, February 2001.
MEYER, C., “Design of Concrete Structures” Prentice Hall Inc., USA, 1996.
NEVES, “Research on The Behaviour of Bored Piles”, University of Sao Paulo, 2002.
NOGAMI, T., & CHEN H. L., “Prediction of Dynamic
Lateral Response of Non Linier Single Pile Using A Winkler Soil Model in Dynamics Response of Foundations – Experiment, Analysis & Observation”,
Proceedings of the Geotechnical Engineering Division, ASCE Convention, Atlantic City, N.J., Geotechnical Special Publication No. 11, pp. 39-52.
POULOS, “Foundation Analysis & Design”, John Willey & Sons, 1996.
REESE, L. C., “Laterally Loaded Piles”, Journal of The Geotechnical Engineering Division, ASCE, 103 (GT4) : pp. 287-305.
TSCHEBOTARIOFF, G. P., “Foundations, Retaining &
Earth Structures” , 2nd ed., Mc Graw-Hill Book
Company, USA, 1973.
TOMLINSON M. J., C.Eng, FIStruct E., “Pile Design &
Construction Practice” 4th ed., ESFN Spon, An Imprint of Chapman & Hall, 1997.
ZHANG, H. H. and SMALL, J. C., “Analysis of Capped pile
groups subjected to horizontal and vertical loads”
Department of Civil Engineering, University of Sidney, NSW 2006, Australia, September 1999.
