commit to user
i
PENURUNAN STRUKTUR REL KERETA API
DI ATAS TANAH LUNAK
DENGAN PERKUATAN GEOSINTETIK
Railway Structure Settlement on Geosynthetic Reinforced Soft Soil
HALAMAN JUDUL
TUGAS AKHIR
Disusun Sebagai Salah Satu Syarat Menempuh Ujian Sarjana Pada Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik
Universitas Sebelas Maret Surakarta
Disusun Oleh :
ABDUL RAZAQ
NIM I 0107027
JURUSAN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
commit to user
iv
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam tugas akhir ini tidak terdapat karya
yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan
tinggi dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat
yang pernah diterbitkan oleh orang lain kecuali yang secara tertulis diacu dalam
naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka. Jika dalam perjalanan ditemui
karya lain yang mirip, maka hal itu menjadi sumber referensi tambahan bagi
penulis.
Surakarta, September 2011
commit to user
MOTTO DAN PERSEMBAHAN
Kebahagiaan itu sederhana, jangan berpikir terlalu rumit untuk
mendapatkannya. Rahasianya adalah ikhlas dan bersyukur.
commit to user
vi
ABSTRAK
ABDUL RAZAQ, 2011. Penurunan Struktur Rel Kereta Api di Atas Tanah
Lunak dengan Perkuatan Geosintetik. Tugas Akhir, Jurusan Teknik Sipil
Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Sebagian besar konstruksi rel kereta api berada pada subgrade tanah dasar keras sampai sedang. Bagaimanapun, kebutuhan terhadap jalan rel meningkat secara signifikan dan mungkin akan dibangun pada tanah dasar lunak. Tanah lunak merupakan tanah kohesif dengan kapasitas daya dukung rendah dan kandungan kadar air tinggi sehingga dapat membahayakan struktur rel di atasnya akibat beban dari kereta api yang begitu besar. Penanganan bisa dilakukan dengan penambahan perkuatan pada tanah lunak sehingga dapat menopang dengan aman struktur rel kereta api di atasnya. Penelitian ini membahas penurunan yang terjadi pada struktur rel di atas subgrade tanah lunak menggunakan perkuatan geosintetik.
Penelitian dilakukan dengan membuat model tereduksi struktur rel kereta api di laboratorium dengan skala 1:10 terhadap ukuran asli. Pengamatan dilakukan
terhadap tiga kondisi subgrade yaitu tanah lunak, tanah lunak dengan perkuatan
geosintetik dan pada tanah pasir. Dari hasil pengamatan uji model kemudian dilakukan validasi menggunakan simulasi program PLAXIS 8.2. Hasil kedua metode tersebut menggambarkan perilaku dan besar penurunan yang terjadi pada
masing-masing kondisi subgrade akibat repetisi beban yang diberikan.
Hasil analisis dengan model tereduksi dan simulasi program PLAXIS menunjukkan perilaku penurunan yang sama. Pengaplikasian geosintetik mampu
mengurangi penurunan yang terjadi pada struktur rel diatas subgrade tanah lunak.
Pada pembebanan tepi struktur rel, geosintetik memberikan pengurangan penurunan rata-rata sebesar 52,5% berdasarkan pengujian model tereduksi. Sedangkan berdasarkan simulasi program PLAXIS 8.2, geosintetik memberikan pengurangan penurunan sebesar 19%. Pada pembebanan tengah struktur rel, geosintetik memberikan pengurangan penurunan rata-rata sebesar 60% berdasarkan pengujian model tereduksi. Sedangkan berdasarkan simulasi program PLAXIS 8.2, geosintetik memberikan pengurangan sebesar 34%.
commit to user
vii
ABSTRACT
ABDUL RAZAQ, 2011. Railway Structure Settlement on Geosynthetic
Reinforced Soft Soil. Thesis of Civil Engineering Department of Engineering Faculty Sebelas Maret University Surakarta.
Railway structure is commonly laid on hard soil. However, the demand of railway raise significantly and it maybe will be build on soft soil. Soft soil is cohesive soil with low bearing capacity and high water content that can endanger railway structure above as result of load from train and locomotive. This problem can be handled by giving reinforcement on soft soil so that it can support railway structure safely. This research was discussed about railway structure settlement on soft soil sub grade with geosynthetic reinforcement.
The research was held at laboratory by made reduced model of railway structure scaled 1:10 from its true size. Observation was done on three sub grade conditions those are soft soil, soft soil with geosynthetic reinforcement and on sand. The result from reduced model test was validated using PLAXIS 8.2 software. Outputs from these methods explain the behavior and settlement value that occurred on each sub grade conditions as result of load repetition those given.
Analysis result of reduced model and PLAXIS 8.2 simulation are indicate the same behavior. Geosynthetic application on soft soil is able to decreasing settlement of railway structure on soft soil sub grade. From loading on edge of Railway structure, geosynthetic can decrease the settlement for 52,5% according to reduced model and 19% according to PLAXIS 8.2 simulation. From loading on the middle of railway structure, geosynthetic can decrease the settlement for 60% according to reduced model and 34% according to PLAXIS 8.2 simulation.
commit to user
viii
KATA PENGANTAR
puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah
melimpahkan rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan
Penurunan Struktur Rel Kereta Api di Atas Tanah
Tugas Akhir ini disusun sebagai salah satu
syarat meraih gelar sarjana pada Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas
Sebelas Maret Surakarta.
Pada pelaksanaannya, penulis telah banyak mendapatkan bantuan baik fasilitas,
bimbingan maupun kerjasama dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis
mengucapkan terimakasih kepada :
1. Pimpinan dan Staf Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta.
2. Pimpinan dan Staf Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas
Sebelas Maret Surakarta.
3. Ir. Ary Setyawan, MSc, PhD, selaku Dosen Pembimbing I.
4. Bambang Setiawan, ST, MT, selaku Dosen Pembimbing II.
5. Ir. Suryoto, MT, selaku Dosen Pembimbing Akademik.
6. Tim dosen penguji.
7. Habib, Huda dan Bram atas semua bantuannya selama penelitian.
8. Teman-teman Teknik Sipil Angkatan 2007.
9. Seluruh pihak yang telah berpartisipasi dalam penyusunan Tugas Akhir ini
commit to user
ix
Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan Tugas Akhir ini masih ada
kekurangan, dengan segala kerendahan hati penulis mengharapkan saran yang
membangun demi kesempurnaan Tugas Akhir ini.
Semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat yang sebesar-besarnya bagi penulis
secara khusus maupun seluruh pihak pada umumnya.
Surakarta, September 2011
commit to user
x
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
HALAMAN PERSETUJUAN ... ii
LEMBAR PENGESAHAN ... iii
PERNYATAAN ... iv
MOTTO DAN PERSEMBAHAN ... v
ABSTRAK ... vi
ABSTRACT ... vii
KATA PENGANTAR ... viii
DAFTAR ISI ... x
DAFTAR TABEL ... xiv
DAFTAR GAMBAR ... xvi
DAFTAR LAMPIRAN ... xix
DAFTAR NOTASI DAN SIMBOL ... xx
BAB 1 PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang Masalah ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 2
1.3 Batasan Masalah ... 2
1.4 Tujuan Penelitian ... 3
1.5 Manfaat Penelitian ... 3
BAB 2 LANDASAN TEORI ... 4
2.1 Tinjauan Pustaka ... 4
2.1.1 Struktur Rel Kereta Api dengan Subgrade Tanah Lunak ... 4
commit to user
xi
2.2.1.4. Bantalan ... 8
2.2.1.5. Balas... 10
2.2.1.6. Tanah Dasar ... 11
2.2.2 Pembebanan pada struktur rel ... 13
2.2.2.1. Gaya vertikal ... 14
2.2.2.2. Gaya horisontal tegak lurus sumbu sepur ... 16
2.2.2.3. Gaya horisontal membujur searah sumbu sepur ... 16
2.2.3 Metode Elemen Hingga... 16
2.2.3.1. Langkah-Langkah dalam Metode Elemen Hingga ... 16
2.2.3.2. Model Material dalam Metode Elemen Hingga ... 18
2.2.4 PLAXIS ... 19
2.2.4.1. Pengaturan Umum (General Setting) ... 19
2.2.4.2. Kontur Geometri (Geometri Contour) ... 20
2.2.4.3. Kondisi Batas (Boundary Conditions) ... 20
2.2.4.4. Set Data Material (Material Data Sets ) ... 21
2.2.4.5. Pembuatan Jaring-Jaring Elemen (Mesh Generations) ... 21
2.2.4.6. Kondisi Awal (Initial Conditions) ... 21
2.2.4.7. Perhitungan (Calculations) ... 22
2.2.4.8. Keluaran (Output) ... 22
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN... 23
3.1 Pendahuluan ... 23
3.4.2 Penyiapan Media Tanah ... 30
3.4.3 Persiapan Peralatan Pengujian ... 34
3.4.4 Pengujian Pembebanan Model ... 37
commit to user
xii
3.4.6 Pembahasan menggunakan Program PLAXIS... 38
3.4.7 Menganalisis hasil perbandingan data dari model uji dan software PLAXIS. ... 38
3.5 Simulasi Struktur Rel Kereta Api dengan PLAXIS 8.2 ... 39
3.5.1 Tahapan Memulai Program ... 39
3.5.1 Pengaturan Umum (General Setting) ... 39
3.5.2 Kontur Geometri (Geometri Contour) ... 40
3.5.3 Set Data Material (Material Data Sets) ... 41
3.5.5. Pembuatan Jaring-Jaring Elemen (Mesh Generations) ... 43
3.5.6. Kondisi Awal (Initial Conditions ) ... 44
3.5.7. Perhitungan (Calculations) ... 46
3.5.8. Keluaran (Output) ... 50
3.6 Diagram Alir Penelitian ... 52
BAB 4 ANALISIS DAN PEMBAHASAN ... 53
4.1 Model Tereduksi Struktur Rel Kereta Api ... 53
4.1.1 Kriteria Perancangan ... 53
4.1.2 Pengujian Pendahuluan ... 54
4.1.2.1. Hasil uji tanah pasir ... 54
4.1.2.2. Hasil uji tanah lunak ... 54
4.1.3 Penurunan pada Model Struktur Rel dengan Variasi Kondisi Subgrade Dibawahnya ... 55
4.1.3.1. Pembebanan pada bidang A ... 56
4.1.3.2. Pembebanan pada bidang B ... 58
4.1.3.3. Pembebanan pada bidang C ... 61
4.1.3.4. Pembebanan pada bidang D ... 63
4.2 Validasi Model Tereduksi Struktur Rel Kereta Api dengan Menggunakan Program PLAXIS. ... 66
4.2.1 Parameter Uji ... 66
4.2.2 Simulasi penurunan struktur rel akibat pembebanan pada program PLAXIS 8.2. ... 67
4.2.2.1. Pembebanan pada bidang A ... 67
commit to user
xiii
4.2.2.3. Pembebanan pada bidang C ... 73
4.2.2.4. Pembebanan pada bidang D ... 76
4.2.3 Hubungan Perilaku Penurunan Struktur Rel Uji Pemodelan dengan Program PLAXIS Versi 8.2. ... 78
4.3 Analisis Penurunan Struktur Rel Kereta Api di Atas Tanah Lunak dengan Perkuatan Geosintetik. ... 85
4.3.1 Bidang Pembebanan A ... 85
4.3.2 Bidang Pembebanan B ... 86
4.3.3 Bidang pembebanan C ... 88
4.3.4 Bidang pembebanan D ... 89
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 92
5.1 Kesimpulan ... 92
5.2 Saran ... 93
DAFTAR PUSTAKA ... 94
commit to user
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 2. 1 Hubungan nilai N, konsistensi, dan kuat tekan bebas (qu) untuk tanah
lempung jenuh ... 4
Tabel 2. 2 Tipe rel yang digunakan pada jalan rel ... 7
Tabel 2. 3 Karakteristik Rel ... 7
Tabel 2. 4 Gradasi Lapisan Ballast Atas ... 10
Tabel 2. 5 Gradasi Lapisan Ballast Bawah ... 10
Tabel 2. 6 Ukuran-ukuran pada lapisan balas ... 11
Tabel 3. 1 Perbandingan dimensi struktur rel kereta api dalam skala asli dengan skala terduksi pada suatu model uji ... 35
Tabel 4. 1 Pengujian tanah pasir ... 54
Tabel 4. 2 Pengujian tanah lunak ... 54
Tabel 4. 3 Hasil pengamatan nilai penurunan yang terjadi pada model struktur rel diatas berbagai kondisi subgrade (dalam 0,01 mm). ... 56
Tabel 4. 4 Hasil pengamatan nilai penurunan yang terjadi pada model struktur rel diatas berbagai kondisi subgrade (dalam 0,01 mm). ... 58
Tabel 4. 5 Hasil pengamatan nilai penurunan yang terjadi pada model struktur rel diatas berbagai kondisi subgrade (dalam 0,01 mm). ... 61
Tabel 4. 6 Hasil pengamatan nilai penurunan yang terjadi pada model struktur rel diatas berbagai kondisi subgrade (dalam 0,01 mm). ... 63
Tabel 4. 7 Parameter material tanah ... 66
Tabel 4. 8 Parameter material pelat... 66
Tabel 4. 9 Hasil penurunan yang terjadi akibat pembebanan pada bidang A (dalam 0,01 mm). ... 68
Tabel 4. 10 Hasil penurunan yang terjadi akibat pembebanan pada bidang B (dalam 0,01 mm). ... 71
commit to user
xv
Tabel 4. 12 Hasil penurunan yang terjadi akibat pembebanan pada bidang D
(dalam 0,01 mm). ... 76
Tabel 4. 13 Hubungan besar penurunan yang terjadi pada struktur rel diatas
kondisi subgrade tanah pasir (dalam 0,01 mm)... 79
Tabel 4. 14 Selisih penurunan yang terjadi pada model struktur diatas kondisi
subgrade tanah pasir antara model tereduksi dengan program PLAXIS
8.2. ... 79
Tabel 4. 15 Hubungan besar penurunan yang terjadi pada struktur rel diatas
kondisi subgrade tanah lunak dengan perkuatan geosintetik (dalam
0,01 mm). ... 81
Tabel 4. 16 Selisih penurunan yang terjadi pada model struktur diatas kondisi
subgrade tanah lunak denan perkuatan geosintetik antara model
tereduksi dengan program PLAXIS 8.2. ... 81
Tabel 4. 17 Hubungan besar penurunan yang terjadi pada struktur rel diatas
kondisi subgrade tanah lunak (dalam 0,01 mm). ... 83
Tabel 4. 18 Selisih penurunan yang terjadi pada model struktur diatas kondisi
subgrade tanah lunak antara model tereduksi dengan program
commit to user
xvi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2. 1 Bogie K9 ... 5
Gambar 2. 2 Efek Pumping dan Fungsi Separasi (PT. Geoforce Indonesia ) ... 6
Gambar 2. 3 Lebar sepur pada rel kereta api ... 7
Gambar 2. 4 Potongan melintang pada jalan lurus ... 11
Gambar 2. 5 Contoh model-model elastic linear dan elastic plastic ... 18
Gambar 3. 1 Satu unit box uji 3 dimensi ... 25
Gambar 3. 2 Sketsa tampak atas alat model 3 dimensi (Subekti, 2009) ... 25
Gambar 3. 3 Sketsa potongan A-A alat model 3 dimensi (Subekti, 2009) ... 26
Gambar 3. 4 Sketsa potongan B-B alat model 3 dimensi (Subekti, 2009)... 26
Gambar 3. 5 Model geosintetik ... 27
Gambar 3. 6 Sketsa penempatan lembar model geosintetik dalam pengujian ... 27
Gambar 3. 7 Dial gauge ... 27
Gambar 3. 8 Nivo ... 28
Gambar 3. 9 Slotted Weights ... 28
Gambar 3. 10 Aplikasi geosintetik untuk jalan rel (Rankilor, 1981) ... 30
Gambar 3. 11 Penjemuran tanah di bawah sinar matahari ... 31
Gambar 3. 12 Penghancuran tanah dengan soil crusher ... 31
Gambar 3. 13 Penyaringan tanah dengan ayakan No. 4 ... 32
Gambar 3. 14 Pencampuran tanah dengan air ... 32
Gambar 3. 15 Pemadatan tanah dengan alat pemadat 5 kg ... 33
Gambar 3. 16 Pengujian kepadatan tanah dengan alat CBR ... 33
Gambar 3. 17 Sketsa konstruksi dan pembebanan pada rel kereta api dalam suatu model uji ... 34
Gambar 3. 18 Potongan melintang struktur rel kereta api skala tereduksi... 35
Gambar 3. 19 Set Up Pembebanan pada Media Pasir ... 36
Gambar 3. 20 Set Up Pembebanan pada Media Pasir dan Lempung dengan Perkuatan Geosintetik ... 36
Gambar 3. 21 Rangkaian tereduksi struktur rel kereta api ... 37
commit to user
xvii
Gambar 3. 23 Grafik hubungan besar penurunan pada saat beban ultimit ... 38
Gambar 3. 24 Splash Screen PLAXIS 8.2 ... 39
Gambar 3. 25 General Settings: (a) Project (b) Dimensions ... 40
Gambar 3. 26 Permodelan struktur rel kereta api ... 41
Gambar 3. 27 Set Data Material Tanah: (a) General (b) Parameters ... 42
Gambar 3. 28 Set Data Material Pelat ... 43
Gambar 3. 29 Set Data Material Geogrid... 43
Gambar 3. 30 Jaring-Jaring Elemen ... 44
Gambar 3. 31 Penentuan Berat Volume dari Air ... 44
Gambar 3. 32 Tampilan K0-procedure ... 45
Gambar 3. 33 Tekanan Awal Tanah ... 46
Gambar 3. 34 Perhitungan : (a) Umum (b) Parameter ... 47
Gambar 3. 35 Pengaktifan Material dan Pemberian Beban ... 48
Gambar 3. 36 Penentuan Titik Acuan ... 49
Gambar 3. 37 Proses Perhitungan ... 49
Gambar 3. 38 Deformed Mesh ... 50
Gambar 3. 39 Proses Pembuatan Kurva : (a) Penentuan Jenis Kurva (b) Kurva beban-perpindahan ... 51
Gambar 3. 40 Diagram Alir Penelitian ... 52
Gambar 4. 1 Sketsa tampak atas posisi bidang pembebanan dan dial gauge. ... 53
Gambar 4. 2 Grafik penurunan akibat repetisi beban pada bidang pembebanan A. ... 57
Gambar 4. 3 Grafik penurunan akibat repetisi beban pada bidang pembebanan B. ... 60
Gambar 4. 4 Grafik penurunan akibat repetisi beban pada bidang pembebanan C. ... 62
Gambar 4. 5 Grafik penurunan akibat repetisi beban pada bidang pembebanan D. ... 65
commit to user
xviii
Gambar 4. 7 Grafik penurunan akibat pembebanan pada bidang B berdasarkan
simulasi program PLAXIS 8.2... 72
Gambar 4. 8 Grafik penurunan akibat pembebanan pada bidang C berdasarkan
simulasi program PLAXIS 8.2... 75
Gambar 4. 9 Grafik penurunan akibat pembebanan pada bidang D berdasarkan
simulasi program PLAXIS 8.2... 77
Gambar 4. 10 Hubungan penurunan berdasarkan model tereduksi dan program
PLAXIS pada tanah pasir dengan perkuatan geosintetik. ... 80
Gambar 4. 11 Hubungan penurunan berdasarkan model tereduksi dan program
PLAXIS pada tanah lunak dengan perkuatan geosintetik. ... 82
Gambar 4. 12 Hubungan penurunan berdasarkan model tereduksi dan program
PLAXIS pada tanah lunak dengan perkuatan geosintetik ... 84
Gambar 4. 13 Penurunan maksimal pada model tereduksi akibat variasi beban
pada bidang pembebanan A ... 85
Gambar 4. 14 Penurunan maksimal pada simulasi program PLAXIS akibat variasi
beban pada bidang pembebanan A ... 86
Gambar 4. 15 Penurunan maksimal pada struktur rel akibat variasi beban pada
bidang pembebanan B ... 87
Gambar 4. 16 Penurunan maksimal pada simulasi program PLAXIS akibat variasi
beban pada bidang pembebanan B ... 87
Gambar 4. 17 Penurunan maksimal pada struktur rel akibat variasi beban pada
bidang pembebanan C ... 88
Gambar 4. 18 Penurunan maksimal pada simulasi program PLAXIS akibat variasi
beban pada bidang pembebanan C ... 89
Gambar 4. 19 Penurunan maksimal pada struktur rel akibat variasi beban pada
bidang pembebanan D ... 90
Gambar 4. 20 Penurunan maksimal pada simulasi program PLAXIS akibat variasi
commit to user
xix
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran A Data Hasil Uji Pendahuluan
Moisture Content Test
Bulk Density Test
Specific Gravity Test
Grain Size Analysis Test
Atterberg Limit Test Test
Direct Shear Test
Unconfined Compression Strength Test
California Bearing Ratio Test
Standard Proctor Test
Lampiran B Data Hasil Penelitian
Uji Pembebanan
Output Plaxis
Lampiran C Dokumentasi Penelitian
commit to user
xx
DAFTAR NOTASI DAN SIMBOL
[N] = matriks fungsi interpolasi
{q} = global stiffness matrix
{r} = global nodal displacement vector
{R} = global nodal force vector
{u} = perpindahan suatu node
B = lebar bantalan
K0 = kondisi tekanan awal pada tanah
K1 = lebar permukaan balas bawah (m)
K2 = lebar dasar balas bawah (m)
kx = permeabilitas arah horisontal
ky = permeabilitas arah vertikal
L = panjang pantalan dibawah rel
Ø = sudut geser tanah (°)
OCR = overconsolidation ratio
Pa = tekanan kontak rerata antara bantalan dengan balas (kPa)
pa = tekanan yang didistribusikan oleh bantalan kepada balas (psi)
commit to user
xxi
pd = gaya dinamis (ton)
POP = pre-overburden pressure
Pr = tekanan rerata di bawah dudukan rel (kPa)
ps = gaya statis (ton)
qu = kuat tekan bebas (kN/m2)
V = kecepatan kereta api
w = berat
Wlok = beban lokomotif
z = kedalaman tanah dasar (m)
sat = berat isi tanah di bawah garis freatik
unsat = berat isi tanah di atas garis freatik
= angka Poisson
= tekanan vertikal pada kedalaman z (kPa)
commit to user
PENDAHULUAN
TUGAS AKHIR
PENURUNAN STRUKTUR REL KERETA API DI ATAS TANAH LUNAK
DENGAN PERKUATAN GEOSINTETIK
Railway Structure Settlement on Geosynthetic Reinforced Soft Soil
commit to user
1
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Masalah
Kegiatan transportasi merupakan bagian yang tidak terpisahkan dari
keberlangsungan hidup manusia. Dalam kaitannya dengan kehidupan manusia,
transportasi berperan penting dalam aspek-aspek sosial, politik, ekonomi, dan
keamanan. Hal tersebut dapat berfungsi baik jika didukung dengan adanya
keseimbangan antara sarana dan prasarana transportasi.
Salah satu prasarana transportasi yang terus berkembang di Indonesia adalah jalan
rel kereta api atau biasa disebut dengan rel kereta api (UK : Railway Tracks, US :
Railroad Tracks). Rel kereta api merupakan prasarana utama dalam
perkerataapian dan menjadi ciri khas moda transportasi kereta api.
Pada umumnya, teknologi kereta api di Indonesia masih menggunakan teknologi
konvensional. Teknologi ini dikenal dengan Teknologi Dua Rel Sejajar. Dalam
hal ini, struktur rel kereta api dikelompokkan menjadi 2 bagian, meliputi:
1. Bagian atas sebagai lintasan terdiri dari rel, penambat rel, dan bantalan.
2. Bagian bawah sebgai pondasi terdiri atas balas dan tanah dasar.
Sebagian besar konstruksi rel kereta api berada pada tanah dasar yang keras
sampai sedang. Untuk kasus tanah dasar yang lunak jarang sekali terpikirkan.
Meninjau beban dari kereta api yang begitu besar, sulit rasanya struktur rel dapat
bertahan lama jika berada pada tanah lunak. Tanah ini merupakan tanah kohesif
dengan kapasitas daya dukungnya rendah. Di lain hal, kandungan kadar air yang
cukup tinggi juga dapat membahayakan struktur rel di atasnya.
Sebagai engineer kiranya perlu untuk membuat solusi terhadap struktur rel dengan
tanah lunak sebagai tanah dasar (subgrade). Perlu adanya penambahan perkuatan
pada tanah lunak sehingga dapat menopang dengan aman struktur rel kereta api di
commit to user
Beberapa bangunan yang berada pada tanah lunak telah memnfaatkan geosintetik
sebagai perkuatan. Geosintetik ini biasanya berbentuk anyaman atau non-anyam.
Adapun hasilnya, bangunan ternyata dapat berdiri kuat dan bertahan lama.
Berangkat dari pemahaman sebelumnya, pemanfaatan geosintetik pada tanah
lunak di bawah struktur rel kereta api sangat menarik untuk diteliti. Penelitian ini
diharapkan dapat sebagai solusi dalam pembangunan konstruksi rel kereta api
yang berada pada tanah lunak.
1.2
Rumusan Masalah
Permasalahan-permasalahan yang ada dalam penelitian ini, meliputi :
1. Bagaimana penurunan struktur rel kereta api pada tanah lunak?
2. Bagaimana penurunan struktur rel kereta api di atas tanah lunak dengan
perkuatan perkuatan geosintetik?
3. Bagaimana perbandingan penurunan struktur rel kereta api pada tanah baik
dan pada tanah lunak dengan perkuatan geosintetik, ditinjau menggunakan
program PLAXIS?
1.3
Batasan Masalah
Untuk memfokuskan agar penelitian dapat terarah, maka perlu
batasan-batasan masalah, antara lain :
1. Penelitian berupa permodelan yang dilakukan di laboratorium.
2. Tanah yang digunakan adalah tanah baik (pasir) dan tanah lunak (lempung).
3. Susunan struktur rel kereta api disiapkan dengan model tereduksi (small
size models) dari kondisi aslinya.
4. Geosintetik yang digunakan adalah karung pupuk berbentuk anyaman.
5. Beban berupa beban statis dengan perulangan tertentu dan titik pembebanan
yang bervariasi.
6. Program PLAXIS V.8.2 digunakan untuk validasi model struktur rel kereta
commit to user
1.4
Tujuan Penelitian
Penelitian yang akan dilakukan ini memiliki beberapa tujuan, antara lain :
1. Membuat model tereduksi dari struktur rel kereta api diatas tanah lunak
tanpa perkuatan dan dengan perkuatan geosintetik.
2. Validasi model tereduksi struktur rel kereta api diatas tanah lunak tanpa
perkuatan dan dengan perkuatan geosintetik menggunakan program
PLAXIS V.8.2.
3. Menganalisis perilaku penurunan struktur rel kereta api di atas tanah lunak
dengan perkuatan geosintetik.
1.5
Manfaat Penelitian
Penelitian ini mempunyai beberapa manfaat, antara lain :
1. Manfaat teoritis
Memperoleh nilai penurunan pada struktur kereta api dengan perkuatan
geosintetik di bawah struktur rel kereta api.
2. Manfaat Praktis
Setelah memperoleh nilai penurunan, maka dapat digunakan untuk
commit to user
LANDASAN TEORI
TUGAS AKHIR
PENURUNAN STRUKTUR REL KERETA API DI ATAS TANAH LUNAK
DENGAN PERKUATAN GEOSINTETIK
Railway Structure Settlement on Geosynthetic Reinforced Soft Soil
commit to user
4
BAB 2
LANDASAN TEORI
2.1
Tinjauan Pustaka
2.1.1 Struktur Rel Kereta Api dengan Subgrade Tanah Lunak
Dalam dunia konstruksi, tanah lunak merupakan salah satu permasalahan. Tanah
ini memiliki daya dukung yang rendah sehingga dapat terjadi penurunan jika
terjadi beban yang berlebihan.
Tanah lunak digolongkan dalam tanah kohesif yang identik dengan tanah
lempung. Berikut ini adalah tabel yang menghubungkan nilai N-SPT, konsistensi,
dan kuat tekan bebas (qu) untuk tanah lempung jenuh.
Tabel 2. 1 Hubungan nilai N, konsistensi, dan kuat tekan bebas (qu) untuk tanah lempung jenuh
Sumber : Terzaghi dan Peck (1948)
Sasanti (2008) menyatakan bahwa tanah lunak merupakan tanah yang memilki
beberapa syarat, meliputi :
1. Moisture Content 40 %
2. Plasticity Index 20 %
Berdasarkan fungsinya sebagai pondasi, tanah dasar harus mampu menopang
commit to user
terdiri atas gaya vertikal, gaya horisontal tegak lurus sumbu sepur, dan gaya
horisontal membujur searah sumbu sepur. Sedangkan sepur sendiri adalah
susunan rel, penambat rel, dan bantalan yang terangkai kokoh dan bersambungan
secara memanjang dan membentuk jalur memanjang.
Gaya vertikal merupakan beban yang paling besar dan berasal dari berat kereta
2001). Jarak antara roda depan dan belakang adalah 2200 mm.
Gambar 2. 1 Bogie K9
2.1.2 Geosintetik
Penurunan tak seragam atau penetrasi dari batuan ballast ke tanah dasar, dapat
mengurangi umur komponen jalan rel maupun kenyamanan penumpang dan
keamanan kereta. Penanganan masalah ini adalah dengan memasang geosintetik
di bawah batuan ballast.
Seperti penggunaannya untuk jalan raya, geosintetik yang digunakan di bawah
commit to user
1. Memberikan tambahan kekuatan tanah dasar.
2. Menyebarkan beban ke area yang lebih luas, sehingga mereduksi tegangan.
3. Mereduksi regangan yang terjadi di dalam tanah, dan menjaga tanah dasar
terhadap retak akibat tarik.
4. Memberikan pemisah antara tanah dasar dan sub-ballast, atau sub-ballast
dan ballast, sehingga mencegah pemompaan butiran halus tanah.
5. Memberikan tambahan fasilitas filtrasi, permeabilitas searah bidang
geosintetik.
Gambar 2. 2 Efek Pumping dan Fungsi Separasi (PT. Geoforce Indonesia )
2.2
Landasan Teori
2.2.1 Struktur Jalan Rel
2.2.1.1. Beban gandar
Beban gandar direncanakan pada satu macam beban gandar 18 ton agar efisien
dan efektif dalam pengangkutan baik penumpang maupun barang.
2.2.1.2. Lebar sepur
Lebar sepur (rail gauge) adalah jarak terpendek sisi dalam diantara dua kepala rel.
commit to user
Gambar 2. 3 Lebar sepur pada rel kereta api (Jalan Rel, 2010)
2.2.1.3. Rel
Rel pada jalan rel mempunyai fungsi sebagai pijakan menggelindingnya roda
kereta api dan untuk meneruskan beban dari roda kereta api kepada bantalan. Rel
ditumpu oleh bantalan-bantalan, sehingga rel merupakan batang yang ditumpu
oleh penumpu-penumpu. Pada sistem tumpuan yang sedemikian, tekanan tegak
lurus dari roda menyebabkan momen lentur pada rel di antara bantalan-bantalan.
Selain itu, gaya arah horisontal yang disebabkan oleh gaya angin, goyangan kereta
api, dan gaya sentrifugal (pada rel sebelah luar) menyebabkan terjadinya momen
lentur arah horisontal.
Tabel 2. 2 Tipe rel yang digunakan pada jalan rel
Kelas Jalan Rel Tipe Rel
(Sumber: Jalan rel, 2010)
Tabel 2. 3 Karakteristik Rel
Karakteristik Rel Tipe Rel
commit to user
Tabel 1.3(lanjutan)Karakteristik Rel Tipe Rel
Karakteristik Notasi
horizontal dari pusat kelengkungan
badan rel
G (mm) 72,00 76,00 74,97 80,95
Jari-jari kelengkungan badan rel R (mm) 320,00 500,00 508,00 120
Luas penampang A (cm2) 54,26 64,20 69,34 76,86 (Sumber: Jalan rel, 2010)
2.2.1.4. Bantalan
Bantalan jalan rel mempunyai fungsi sebagai berikut:
1. Mendukung rel dan meneruskan beban dari rel ke balas dengan bidang sebaran
beban lebih luas sehingga memperkecil tekanan yang dipikul balas,
2. Mengikat/memegang rel (dengan penambat rel) sehingga gerakan rel arah
horisontal tegak lurus sumbu sepur ataupun arah membujur searah sumbu sepur
dapat ditahan, sehingga jarak antara rel dan kemiringan kedudukan rel dapat
dipertahankan,
3. Memberikan stabilitas kedudukan sepur di dalam balas (lihat uraian tentang
commit to user
4. Menghindarkan kontak langsung antara rel dengan air tanah.
Dari fungsi tersebut di atas maka bantalan harus kuat menahan beban dan kuat
dalam mengikat penambat rel.
Bantalan dapat terbuat dari kayu, baja, atau beton. Pemilihan jenis bantalan yang
digunakan adalah berdasarkan atas kelas jalan rel menurut peraturan konstruksi
jalan rel yang berlaku. Bantalan kayu digunakan pada jalan rel di Indonesia karena
selain mudah dibentuk juga bahannya mudah didapat. Agar dapat memenuhi
fungsinya, maka bantalan kayu harus cukup keras sehingga mampu menahan
tekanan. Penambat rel yang dipasang pada bantalan harus tidak mudah lepas, dan
tahan lama. Untuk itu maka bahan kayu yang digunakan selain harus kuat
menahan beban yang bekerja padanya, juga harus memenuhi persyaratan sebagai
berikut:
1. Utuh dan padat,
2. Tidak terdapat mata kayu,
3. Tidak mengandung unsur kimia yang tidak baik bagi komponcn \jalan rel yang
terbuat dari logam,
4. Tidak ada lubang bekas ulat atau binatang lainnya,
5. Tidak ada tanda-tanda permulaan terjadi pelapukan dan apabila kayu
diawetkan, pengawetan harus merata dan sempurna.
Sesuai dengan persyaratan bahan kayu dan fungsi bantalan maka tidak semua
jenis kayu dapat digunakan. Bantalan kayu harus dari kayu mutu A, dengan
dengan kelas kuat I atau II dan kelas awet I atau II. Jenis kayu yang biasa
digunakan oleh PT. Kereta Api (persero) untuk bantalan ialah kayu jati dan kayu
besi. Bantalan dengan jenis kayu jati dapat tahan 16 sampai 20 tahun (bahkan ada
yang lebih dari 20 tahun). Kayu besi dapat digunakan karena keras, tapi mudah
pecah dan kadang-kadang terdapat kandungan asam yang tidak baik bagi logam
commit to user
2.2.1.5. Balas
Lapisan balas terletak di atas lapisan tanah dasar. Lapisan balas mengalami
tagangan yang besar akibat lalulintas kereta api, sehingga bahan pembentuknya
harus baik dan pilihan. Balas mempunyai fungsi sebagai berikut:
1. Meneruskan dan menyebarkan beban yang diterima bantalan ke tanah dasar,
2. Mencegah/menahan bergesernya bantalan dan rel baik arah membujur maupun
melintang,
3. Meloloskan air sehinga tidak terjadi genangan air di sekitar bantalan dan rel,
4. Mendukung bantalan dengan dukungan yang kenyal.
Gradasi pada ballast atas ditampilkan pada Tabel 2.4, sedangkan gradasi pada
ballast bawah ditampilkan pada Tabel 2.5.
Tabel 2. 4 Gradasi Lapisan Ballast Atas Ukuran
Sumber : Suryo Hapsoro Tri Utomo (2010)
Keterangan : untuk jalan rel kelas I dan II digunakan ukuran minimal 2,5 0,75 inci
: untuk jalan rel kelas III digunakan ukuran minimal 1 inci
Tabel 2. 5 Gradasi Lapisan Ballast Bawah
Ukuran Saringan (inci) 2 1 3/8 No. 10 No. 40 No. 200
% Lolos (optimum) 100 95 67 38 21 7
1,5 0,75 100 90-100 50-84 26-50 12-30 0-10
commit to user
Bentuk dan dimensi lapisan balas
Gambar 2. 4 Potongan melintang pada jalan lurus
Tabel 2. 6 Ukuran-ukuran pada lapisan balas Kelas Jalan Rel
(Sumber: Jalan rel, 2010)
2.2.1.6. Tanah Dasar
Tanah dasar (subgrade) jalan rel mempunyai fungsi sebagai berikut:
1. Mendukung beban yang diteruskan oleh balas kepada tanah dasar,
2. Meneruskan beban ke lapisan di bawahnya, yaitu badan rel, dan
3. Memberikan landasan yang rata pada kedudukan/ketinggian/elevasi di tempat
balas akan diletakkan.
Tanah dasar jalan rel merupakan lapisan yang terbuat dari bahan geoteknik, yang
commit to user
Sesuai dengan fungsinya, dari sudut pandang teknik tanah dasar harus mampu
menopang beban di atasnya dan kuat menahan tegangan yang terjadi padanya.
Beban yang harus ditopang oleh lapisan tanah dasar ialah berat lapisan balas,
sedangkan tegangan yang terjadi padanya ialah tegangan yang terjadi akibat dari
gaya yang diteruskan oleh bantalan kepada balas yang kemudian diteruskan dan
didistribusikan oleh balas kepada lapisan tanah dasar. Menurut Clarke, 1957
(diambil dari lu of Transport Economics, 1980), dengan asumsi bahwa beban
didistribusikan dengan kemiringan 1:1, tekanan vertikal tanah dasar dapat
ditentukan dengan persamaan pendekatan sebagi berikut:
= 2 × ×
+2. ( +2. ) ... (1.1) dengan:
z = tekanan vertikal pada kedalaman z ( kPa ),
Pa = tekanan kontak rerata antara bantalan dengan balas ( kPa ),
z = kedalaman tanah dasar (dalam hal ini sama dengan tebal lapisan balas,
diukur dari bidang kontak antara bantalan dan balas ( m ),
B =lebar bantalan ( m ),
L = panjang bantalan di bawah rel ( m ).
Tekanan vertikal pada permukaan atas tanah dasar dapat juga dihitung dengan
cara yang disampaikan oleh Schramm (1961), yaitu bahwa tekanan vertikal yang
terjadi ditentukan oleh tekanan rerata di bawah dudukan rel (rail seat), panjang
bantalan, lebar rel, jarak antara bantalan, tebal lapisan balas, dan sudut gesek
internal bahan balas, yang diwujudkan dalam persamaan sebagai berikut:
commit to user
Menurut Schramm (1961) sudut gesek internal pada bahan balas berbutir kasar,
berpermukaan kasar dan kering adalah sekitar 40°. Sedangkan pada bahan balas
yang berbutir halus, berpermukaan halus dan basah adalah sekitar 30°.
Berdasarkan pendekatan yang digunakan oleh AREA (1997), tekanan yang terjadi
pada tanah dasar dapat dihitung dengan persamaan:
pc = 16,8pa/h1,25 ... (1.3)
dengan :
pc = tekanan yang terjadi pada tanah dasar ( psi),
pa = tekanan yang didistribusikan oleh bantalan kepada balas (psi),
h = tebal lapisan balas (inches ).
Dari tiga persamaan tersebut di atas terlihat bahwa perancangan tanah dasar
selalu harus dikaitkan dengan perancangan balas yang merupakan lapisan yang
terletak di atasnya. Bahkan Salem dan Hay, 1966 (dalam Bureau of Transport
Economics, 1980), menyatakan bahwa untuk mendapatkan distribusi tekanan yang
lebih seragam pada tanah dasar yang tidak hanya antara bantalan tetapi juga
sepanjang bantalan, dibutuhkan lapisan balas yang lebih tebal, sehingga mampu
mencegah terjadinya penurunan diferensial (differential settlement) yang
berlebih pada tanah dasarnya dan akan mencegah pula terjadinya cekungan
pada tanah dasar di bawah bantalan.
Sesuai dengan fungsi tanah dasar dan melihat letak/kedudukan serta
distribusi beban oleh lapisan di atasnya (balas), maka tanah dasar harus
mempunyai kuat dukung yang cukup. Menurut ketemuan yang digunakan oleh
PT.Kereta Api (persero), kuat dukung tanah dasar (yang dalam hal ini ialah nilai
CBR) minimum ialah sebesar 8%. Tanah dasar yang harus memenuhi syarat
minimum CBR 8% tersebut ialah tanah dasar setebal minimum 30 cm.
2.2.2 Pembebanan pada struktur rel
Gaya yang ditimbulkan oleh kereta api yang melintas di alas jalan rel harus
commit to user
1. Gaya vertikal,
2. Gaya horisontal tegak lurus sumbu sepur, dan
3. Gaya horisontal membujur searah sumbu sepur.
Gaya vertikal akan diterima oleh kedua rel, diteruskan kepada balas melalui
perantaraan bantalan dan oleh balas diteruskan kepada tanah dasar berdasarkan
prinsip penyebaran beban. Selanjutnya beban yang diterima oleh tanah dasar ini
akan diteruskan kepada badan jalan rel juga dengan prinsip penyebaran beban.
Dengan demikian maka tekanan spesifik pada badan jalan rel akan menjadi kecil,
sehingga diharapkan tidak melebihi kuat dukung badan jalan relnya. Untuk itu
maka ketebalan balas secara teknis harus mencukupi. Sedangkan gaya horisontal
terutama akan ditahan oleh balas, karena itu maka peletakan bantalan pada balas
harus sedemikian sehingga balas dapat menahan gaya horisontal yang harus
ditahannya.
2.2.2.1. Gaya vertikal
Gaya vertikal berasal dari berat kereta api dan merupakan beban yang paling besar
yang diterima oleh struktur jalan rel. Gaya vertikal ini dapat menyebabkan
terjadinya defleksi vertical. Besar dan asal beban vertikal diuraikan berikut ini.
a. Gaya lokomotif
Lokomotif yang sekarang digunakan PT. Kereta Api persero ialah
lokomotif yang ditumpu oleh 2 bogie. Berdasarkan atas jumlah gandar (satu
gandar terdiri atas 2 roda) pada masing-masing bogie, secara garis besar
lokomotif yang digunakan dapat dikelompokkan atas 2 jenis, yaitu:
Lokomotif BB yang masing-masing bogie terdiri atas 2 gandar, dan
Lokomotif CC yang masing-masing bogie terdiri atas 3 gandar.
Perhitungan beban gandar (axle load) dan beban roda pada lokomotif dapat
dijelaskan sebagai berikut.
lokomotif BB. Jika beban lokomotif (Wlok) = 56 ton, maka:
Gaya pada bogie (Pb) = Wlok/2 = 56/2 ton = 28 ton
commit to user
Gaya roda statis (Ps) = Pg/2 = 14/2 ton = 7 ton.
lokomotif CC. Jika beban lokomotif (Wlok) = 84 ton, maka:
Gaya pada bogie (Pb) = Wlok/2 = 84/2 ton = 42 ton,
Gaya gandar (Pg) = Pb/3 = 42/3 ton = 14 ton,
Gaya roda statis (Ps) = Pg/2 = 14/2 ton = 7 ton.
Pada lokomotif CC terdapat 2 kelompok berat, yaitu: Lokomotif CC-201 dan
CC-203, dengan berat 84 ton, sehingga beban gandarnya 14 ton, dan
Lokomotif CC-202 dengan berat 108 ton atau beban gandar 18 ton.
b. Gaya Kereta (Car, Coach)
Kereta dipakai untuk angkutan penumpang. Kereta mempunyai
karakteristik kenyamanan dan kecepatan yang tinggi. Berat kereta (berisi
penumpang) ialah sekitar 40 ton. Kereta ditumpu oleh 2 bogie (Pb=20 ton),
masing-masing bogie terdiri atas 2 gandar, sehingga Pg = 10 ton, dan Ps = 5
ton.
c. Gaya Gerbong (Wagon)
Gerbong digunakan untuk angkutan barang. Prinsip beban ialah sama dengan
lokomotif dan kereta. Satu gerbong dapat tcrdiri atas 2 gandar (tanpa bogie)
atau 4 gandar (dengan bogie).
d. Faktor dinamis
Akibat dari beban dinamik kendaraan jalan rel, maka timbul faktor dinamik.
Untuk mentransformasi gaya statis ke gaya dinamis digunakan faktor dinamis
sebagai berikut:
Ip = l +0.01 (V/1,609-5)
dengan: Ip : faktor dinamis,
V : kecepatan kereta api ( km/jam ).
Selanjutnya gaya dinamis dapat dihitung sebagai berikut:
Pd = Ps x Ip
dengan: Pd : gaya dinamis (ton ),
Ps : gaya statis (ton),
commit to user
2.2.2.2. Gaya horisontal tegak lurus sumbu sepur
Gaya ini disebabkan oleh "snake motion" kereta api, gaya angin yang bekerja
pada kereta api (sisi kanan/kiri) dan gaya sentrifugal sewaktu kereta api melintasi
tikungan.
2.2.2.3. Gaya horisontal membujur searah sumbu sepur
Gaya ini disebabkan oleh gaya akibat pengereman, gesekan antara roda kereta api
dengan kepala rel, gaya akibat kembang susut rel dan gaya berat jika jalan rel
berupa tanjakan/penurunan.
2.2.3
Metode Elemen Hingga2.2.3.1. Langkah-Langkah dalam Metode Elemen Hingga
Prinsip dasar dari Metode Elemen Hingga adalah diskretisasi yaitu prosedur
dimana problem kompleks yang besar dibagi-bagi menjadi satu ekivalen yang
lebih kecil atau komponen. Secara garis besar ada 5 langkah dasar :
1. Diskretisasi
Yaitu pembagian suatu continuum menjadi sistem yang lebih kecil yang
disebut sebagai finite element. Pertemuan antara nodal line disebut nodal
point (Gambar 2.5). Pada metode elemen hingga, masing-masing elemen
dianalisis secara tersendiri menggunakan persamaan konstitutif sehingga
persamaan sifat dan kekakuan masing-masing elemen diformulasi.
Kemudian secara berurutan, setiap elemen dirakit untuk mendapatkan
persamaan secara keseluruhan. Untuk 1D digunakan elemen garis, untuk 2D
digunakan elemen segitiga dan segiempat (quadrilateral), sedangkan untuk
commit to user
Gambar 2. 5 Diskretisasi2. Pemilihan fungsi aproximasi
Langkah ini digunakan untuk menentukan perpindahan setiap elemen
menggunakan polynomial berderajat n. Semakin tinggi n, semakin tinggi
ketelitiannya. Perpindahan sutu node dituliskan sebagai
{u} = [N] {q}
Dimana [N] = matriks fungsi interpolasi, {q} = {u1,u2,...,v1,v2,...}T
3. Penurunan persamaan elemen
Menggunakan metode variational atau residual (misal metode Galerkin).
Persamaan elemen dapat ditulis sebagai
[k] {q} = {Q}
Dimana [k] adalah matriks properti elemen, dan {Q} vektor gaya node
4. Assembling properti elemen ke persamaan global
Persamaan-persamaan eleman pada langkah 3 dikombinasi sehingga
menghasilkan stiffness relation untuk seluruh elemen. Langkah ini dibuat
untuk mendapatkan kompatibilitas displacement setiap node.
Stiffness relation ditulis :
[K] {r} = {R}
Dimana
[K] = global stiffness matriks
{r} = global nodal displacement vector
{R} = global nodal force vector
5. Komputasi strain dan stress
Persamaan yang telah ada diselesaikan/dipecahkan untuk mendapatkan
besaran-besaran yang tidak diketahui, baik primer (perpindahan) maupun node
commit to user
sekunder (regangan, tegangan, momen, dan geser), dengan menggunakan
rumus tambahan:
}
2.2.3.2. Model Material dalam Metode Elemen Hingga
Salah satu hal yang sangat penting dalam permodelan menggunakan elemen
hingga adalah menentukan model material. Model material adalah sekumpulan
persamaan matematika yang menjelaskan hubungan antara tegangan-regangan.
Suatu material harus dimodelkan secara mekanis menggunakan persamaan
konstitutif. Penentuan model suatu material dibuat sesuai dengan kondisi material
yang ditinjau serta derajat keakuratan yang diinginkan .
Beberapa model material yang digunakan dalam material tanah dan batuan adalah
Isotropic Elasticity ( ), Mohr-Coulomb atau Elastic Plastic (MC),
Hardening-Soil (HS), Soft-Soil-Creep (SSC), Cam Clay (CC), Modified Cam Clay
(MCC), Nonlinier Elasticity (Hiperbolic), Strain Softening, Slip Surface, Soft Soil
(SS), Jointed Rock (JR).
Model material tanah yang dipakai untuk verifikasi data di antaranya, yaitu model
tanah Isotropic Elasticity ( ) dan Mohr-Coulomb atau Elastic-Plastic
(MC).
commit to user
Masing-masing modal di atas memiliki parameter tersendiri serta memiliki
kelebihan dan kekurangan. Keakuratan permodelan menggunakan metode elemen
hingga sangat tergantung pada :
1. Keahlian memodelkan
2. Pemahaman terhadap model serta keterbatasannya
3. Pemilihan parameter dan model material tanah
4. Kemampuan menilai hasil komputasi
2.2.4 PLAXIS
PLAXIS adaiah program elemen hingga untuk aplikasi geoteknik dimana
digunakan model-model tanah untuk melakukan simulasi terhadap perilaku dari
tanah. Program PLAXISdan model-model tanah didalamnya telah dikembangkan
dengan seksama. Walaupun pengujian dan validasi telah banyak dilakukan, tetap
tidak dapat dijamin bahwa program PLAXIS bebas dari kesalahan. Simulasi
permasalahan geoteknik dengan menggunakan metode elemen hingga sendiri
telah secara implisit melibatkan kesalahan pemodelan dan kesalahan numerik
yang tidak dapat dihindarkan. Akurasi dari keadaan sebenarnya yang
diperkirakan sangat bergantung pada keahlian dari pengguna terhadap pemodelan
permasalahan, pemahamanan terhadap model-model tanah serta keterbatasannya,
penentuan parameter-parameter model, dan kemampuan untuk melakukan
interpretasi dari hasil komputasi.
2.2.4.1. Pengaturan Umum (General Setting)
PLAXIS versi 8.2 dapat digunakan untuk melakukan analisis elemen berupa Plain
strain maupun axi-simetry. Model Plain strain digunakan untuk model geometri
dengan penampang melintang kurang lebih seragam dengan kondisi tegangan dan
kondisi pembebanan yang cukup panjang dalam arah tegak lurus terhadap
penampang tersebut. Model axi-simetry digunakan untuk struktur berbentuk
lingkaran dengan penampang radial yang kurang lebih seragam dengan kondisi
commit to user
2.2.4.2. Kontur Geometri (Geometri Contour)
Pembuatan sebuah model elemen hingga dimulai dengan pembuatan geometri dari
model, yang merupakan representasi dari masalah yang akan dianalisis. Sebuah
model geometri terdiri dari titik-titik, garis-garis dan klaster-klaster.
Input dasar dari pembuatan model geometri adalah geometry line.
Geometry line dapat dipilih melalui simbol yang muncul atau melalui
sub menu geometry.
Pelat adalah struktur tipis di tanah dengan kekakuan tertentu. Pada
model geometri pelat tampak sebagai garis vertikal biru. Pelat dapat
dipilih melaluisimbolyang muncul atau melalui sub menu geometry.
Geogrid adalah struktur tipis di tanah dengan kekakuan tertentu. Pada
model geometri geogrid tampak sebagai garis horizontal kuning.
Geogrid dapat dipilih melalui simbol yang muncul atau melalui sub
menu geometry.
Model pembebanan pada analisis ini adalah beban titik dalam gaya per
panjang (kN/m).
2.2.4.3. Kondisi Batas (Boundary Conditions)
Kondisi standard fixities yang terdapat pada PLAXIS dapat digunakan
dengan cepat dan mudah untuk berbagai aplikasi praktis yang sering
dijumpai. Secara otomatis, maka di samping kanan dan kiri luasan akan
muncul garis sejajar yang menandakan kemungkinan pergerakan
vertikal saja. Sedangkan untuk bagian bawah, muncul garis sejajar yang
bersilangan yang menandakan bahwa tidak ada pergerakan baik
commit to user
2.2.4.4. Set Data Material (Material Data Sets )
Model material pada tanah yang umum digunakan adalah
Mohr-Coulomb karena model ini relatif sederhana dengan material input yang
hampir sama dengan metode keseimbangan batas, selain itu model
material Mohr Coulomb juga paling banyak dikenal. Tipe material
dipilih undrained karena tanah yang dijadikan model adalah tanah yang
memiliki nilai permeabilitas sangat kecil, sehingga dianggap tidak
terjadi aliran air.
2.2.4.5. Pembuatan Jaring-Jaring Elemen (Mesh Generations)
Setelah model geometri sudah ditentukan dan material sudah
dimasukkan ke semua cluster dan struktur, geometri harus dibagi
menjadi finite element dengan tujuan menampilkan perhitungan finite
element. PLAXIS memberikan fasilitas automesh yang dapat dipilih
melalui melalui simbol yang muncul atau melalui sub menu mesh.
2.2.4.6. Kondisi Awal (Initial Conditions)
Setelah model geometri sudah dibuat dan elemen mesh
sudah ditentukan, kondisi awal dari tanah harus ditentukan.
Ada dua pilihan kondisi awal pada PLAXIS, yaitu kondisi
awal dengan tekanan air dan kondisi awal tanpa tekanan air.
Dalam analisis ini muka air tanah dianggap jauh di bawah
dasar model sehingga tekanan air tidak diperhitungkan.
Maka kondisi awal tanpa tekanan air yang kita pilih.
Dengan memilih bagian kanan dari dua pilihan initial
condition.
Icon di samping digunakan untuk menentukan tegangan
awal dari tanah. Setelah kita pilih simbol di samping maka
commit to user
2.2.4.7. Perhitungan (Calculations)
Pada jendela calculations tipe perhitungan yang dipilih adalah
tipe plastic, karena tujuan dari analisis ini adalah untuk
menghasilkan perpindahan secara elastik-plastik.
Langkah selanjutnya adalah penentuan titik acuan perhitungan.
Dengan memilih simbol select point for curve, kemudian akan
muncul jendela baru berupa geometri setelah itu titik acuan
kita letakkan pada bagian tengah pondasi.
Setelah penentuan titik acuan, pemilihan simbol update akan
menutup jendela pemilihan titik acuan dan akan kembali ke
jendela perhitungan.
Dengan pemilihan simbol calculate maka proses perhitungan
dimulai.
2.2.4.8. Keluaran (Output)
Setelah proses perhitungan, maka simbol calculate otomatis
berganti dengan simbol output. Dengan memilih simbol output,
akan muncul jendela output berupa deformed mesh.
Untuk memunculkan kurva beban-perpindahan, dipilih simbol
curves yang akan memunculkan jendela baru untuk memilih
commit to user
METODOLOGI PENELITIAN
TUGAS AKHIR
PENURUNAN STRUKTUR REL KERETA API DI ATAS TANAH LUNAK
DENGAN PERKUATAN GEOSINTETIK
Railway Structure Settlement on Geosynthetic Reinforced Soft Soil
commit to user
23
BAB 3
METODOLOGI PENELITIAN
3.1
Pendahuluan
Penelitian ini bertujuan untuk membandingkan penurunan struktur rel dan
subgrade pada tanah lunak tanpa perkuatan geosintetik dibandingkan dengan
perkuatan geosintetik. Pengujian pendahuluan dilakukan terhadap tanah lunak
sebagai subgrade untuk mengetahui nilai parameter tanah subgrade tersebut.
Setelah pengujian pendahuluan dilakukan kemudian model struktur rel dibuat
didalam kotak berukuran 1m x 1m x 0,6m. Model rel dibatasi hanya sepanjang
satu bagian ruas rel diantara sambungan dan telah direduksi dari ukuran aslinya.
Pengujian dilakukan terhadap struktur rel dengan pemberian beban berulang
(repetisi) untuk menggambarkan beban kereta api yang berkali-kali membebani
struktur rel tersebut. Pada saat pengujian dilakukan pengamatan terhadap perilaku
struktur rel yang meliputi besar penurunan struktur rel dan subgrade saat
menerima beban dan kenaikan yang terjadi saat beban itu dihilangkan.
Pengamatan dilakukan sesuai jumlah repetisi beban yang diberikan pada struktur
rel tersebut. Pengamatan lain yang dilakukan adalah mengenai letak/posisi
penurunan yang terjadi.
Pengujian pertama dilakukan terhadap struktur rel diatas tanah pasir sebagai
gambaran perilaku struktur rel diatas subgrade yang kuat. Pengujian kedua
dilakukan terhadap struktur rel diatas tanah lunak tanpa perkuatan .Pengujian
ketiga dilakukan seperti pengujian kedua dengan perbedaan pada perkuatan
struktur rel menggunakan geosintetik. Selanjutnya digunakan program PLAXIS
sebagai analisa pembanding terhadap tiga pengujian model yang telah dilakukan
Program PLAXIS menggunakan nilai parameter tanah secara lengkap sebagai
input datanya, sehingga diperlukan data uji pendahuluan. Dalam program ini
commit to user
letak/posisi penurunan yang terjadi pada struktur rel. Dari percobaan terhadap
kedua model struktur rel dan analisanya dengan program PLAXIS diharapkan
penurunan struktur rel di lapangan akibat menerima beban kereta api yang terus
menerus dapat diketahui.
3.2
Pengumpulan Data
Penelitian ini menggunakan data-data antara lain:
1. Data primer
Data-data yang dikumpulkan terdiri atas data indeks properti tanah,
parameter geser tanah, dan data pengujian utama berupa nilai
penurunan dan kapasitas dukung geosintetik. Untuk mengatahui
nilai-nilai tersebut terlebih dahulu dilakukan pengujian terhadap tanah
subgrade dimana dalam hal ini adalah tanah lunak.
Setelah semua pengujian tersebut dilaksanakan, kemudian selakukan
pengujian untuk mencari nilai penurunan pada struktur rel dan pada
tanah dasar.
2. Data sekunder
Data sekunder meliputi data mengenai ukuran struktur rel, panjang satu
bagian rel, bantalan, jarak antar bantalan, ketebalan balas dan lebar
sepur yang nantinya akan dibuat permodelan. Data ini didapatkan dari
literatur yang ada dan juga dari pengamatan langsung dilapangan.
3.3
Alat dan Bahan
3.3.1 Alat
Alat-alat uji pembebanan yang terdiri dari :
1. Satu unit box uji 3 dimensi
Box uji ini berukuran panjang 100 cm; lebar 100 cm dan tinggi 60 cm.
commit to user
Gambar 3. 1 Satu unit box uji 3 dimensi
commit to user
Gambar 3. 3 Sketsa potongan A-A alat model 3 dimensi (Subekti, 2009)
Gambar 3. 4 Sketsa potongan B-B alat model 3 dimensi (Subekti, 2009)
2. Geosintetik
Model geosintetik yang digunakan dalam penelitian merupakan bahan
yang terbuat dari kain anyam bekas karung pupuk. Pemilihan bahan
didasarkan pada kemiripan sifat dengan salah satu produk geosintetik yaitu
geosintetik yang terbuat dari bahan polymer polypropylene. Gambar
commit to user
Gambar 3. 5 Model geosintetik
Gambar 3. 6 Sketsa penempatan lembar model geosintetik dalam pengujian
3. Dial gauge
Alat ini digunakan untuk mengetahui besarnya deformasi permukaan tanah
pada saat uji pembebanan. Dial gauge yang digunakan berjumlah 10 buah
(kanan dan kiri) dengan ketelitian 0,01 mm (Gambar 3.7).
commit to user
4. NivoAlat ini digunakan untuk mengukur permukaan bantalan maupun rel
terhadap tanah agar benar-benar rata secara horizontal.
Gambar 3. 8 Nivo
5. Alat Pembebanan (Slotted Weights)
Alat pembebanan yang digunakan dalam pengujian utama dalam penelitian
ialah berupa 10 unit besi coak yang masing-masing bobotnya sebesar 8
Kg.
Gambar 3. 9 Slotted Weights
6. Alat Pendukung
Satu unit alat pembebanan dan alat pendukung lainnya, seperti palu,
commit to user
3.3.2 Bahan
1. Tanah
Tanah yang digunakan sebagai media uji pada penelitian ini merupakan
tanah lunak yang diambil dari daerah Sumberlawang, Kabupaten
Purwodadi, Jawa Tengah. Sedangkan untuk tanah pasir telah tersedia di
laboratorium Mekanika Tanah Jurusan Teknik Sipil Universitas Negeri
Sebelas Maret Surakarta.
2. Air
Air yang digunakan dalam penelitian ini berasal dari laboratorium
Mekanika Tanah Jurusan Teknik Sipil Universitas Negeri Sebelas Maret
Surakarta.
3. Kayu Bantalan
4. Besi Rel
Besi rel yang digunakan terbuat dari besi siku yang di potong dua bagian
masing-masing panjangnya 90 cm.
5. Ballast
Ballast yang digunakan untuk melengkapi model sistem struktur rel kereta
api terbuat dari batu pecah yang keras dengan diameter antara 28 50 mm
yang nantinya akan disaring sesuai ukuran yang telah ditentukan.
3.4
Metode Penelitian
3.4.1 Penyiapan Benda Uji
Benda uji terbuat dari lembaran kain anyam ex karung pupuk yang
dianalogikan sebagai geosintetik yang umumya terbuat dari polymer
commit to user
Gambar 3. 10 Aplikasi geosintetik untuk jalan rel (Rankilor, 1981)
Benda uji menggunakan ukuran 51 cm x 100 cm, sesuai dengan luasan alas
ballast. Benda uji tersebut akan dipasang di bawah batuan ballast dan tepat di
atas tanah dasar.
3.4.2 Penyiapan Media Tanah
a. Tanah baik (dominan pasir)
Media tanah pertama yang digunakan dalam penelitian ini adalah tanah baik
(termasuk tanah dominan pasir) yang diambil dengan sistem pengambilan
terganggu (disturbed sample). Persiapan media tanah ini dilakukan dengan
langkah-langkah sebagai berikut :
Menjemur tanah di bawah sinar matahari atau pengeringan di udara
hingga kering untuk mendapatkan tanah yang dapat disaring (Bowles,
1984).
Menyaring tanah dengan lolos ayakan No. 4 (diameter 4,75 mm).
Mencampur tanah dengan air menggunakan rasio air tanah yang
diperhitungkan terlebih dahulu menggunakan uji standard proctor.
Dalam penelitian ini rasio yang didapatkan saat kadar air optimum ialah
360 ml / 2 kg.
Memasukkan tanah ke dalam kotak uji.
Menumbuk tanah dan memadatkannya dengan tinggi jatuh 20 s/d 30 cm
sebanyak 1/3 tinggi kotak uji..
Memasukkan tanah lagi hingga mencapai 2/3 tinggi kotak uji,
kemudian melakukan pemadatan.
commit to user
Menguji kepadatan tanah pasir dengan alat uji CBR pada 3 titik yang
berbeda.
b. Tanah Lunak.
Media tanah kedua yang digunakan dalam penelitian ini adalah tanah lunak
dengan sistem pengambilan terganggu (disturbed sample). Persiapan media
tanah ini dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut :
Menjemur tanah di bawah sinar matahari hingga kering ditunjukkan
pada gambar .
Gambar 3. 11 Penjemuran tanah di bawah sinar matahari
Menghancurkan tanah dengan soil crusher (Gambar 3.12).
commit to user
Menyaring tanah yang sudah hancur dengan spesifikasi lolos ayakan
No. 4 (diameter 4,75 mm) (Gambar 3.13).
Gambar 3. 13 Penyaringan tanah dengan ayakan No. 4
Mencampur tanah dengan air menggunakan rasio air tanah yang
diperhitungkan terlebih dahulu menggunakan uji standard proctor.
Dalam penelitian ini rasio yang didapatkan saat kadar air optimum ialah
620 ml / 2 kg. Setelah rasio air diketahui, tanah dicampur dengan air
dengan rasio air yang lebih atau dengan kadar yang membuat tanah
tersebut menjadi lebih lunak (bukan kepadatan maksimum) (Gambar
3.14).
commit to user
Mengganti separuh tinggi dari media tanah pasir dengan memasukkan
tanah lempung tersebut di atasnya.
Memasukkan tanah ke dalam kotak uji.
Menumbuk tanah dan memadatkannya dengan tinggi jatuh 20 s/d 30 cm
sebanyak 1/3 tinggi kotak uji. (Gambar 3.15)
Gambar 3. 15 Pemadatan tanah dengan alat pemadat 5 kg
Memasukkan tanah lagi hingga mencapai 2/3 dari separuh tinggi kotak
uji, kemudian melakukan pemadatan.
Memasukkan tanah hingga penuh, kemudian dilakukan pemadatan.
Menguji kepadatan pasir dengan alat uji CBR pada 3 titik yang berbeda.
(Gambar 3.15)
commit to user
3.4.3 Persiapan Peralatan Pengujian
Alat pengujian terdiri dari statif dan alat pembebanan aksial. Cara
pembebanan alat dijelaskan sebagai berikut :
a. Alat uji dibuat dalam bak uji berukuran 100 x 100 x 60 cm.
b. Pembebanan kereta api terhadap badan rel bertumpu pada bogie kereta api.
Tiap bogie pada umumnya terdapat 2 gandar (depan dan belakang) dan
setiap gandar terdapat dua roda (kanan dan kiri). Oleh sebab itu,
pendekatan pembebanan pada model uji ini dapat dilihat pada gambar
3.17.
Gambar 3. 17 Sketsa konstruksi dan pembebanan pada rel kereta api dalam suatu model uji
c. Struktur rel kereta api dibuat dengan skala tereduksi (small size) dari
commit to user
Tabel 3. 1 Perbandingan dimensi struktur rel kereta api dalam skala asli dengan skala terduksi pada suatu model uji
No Faktor Skala Asli
d. Balas berupa kerikil / batu pecah yang keras dan tidak mudah pecah, serta
berdiameter antara 28 50 mm. Sedangkan rel kereta api terbuat dari besi
siku. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 3.18
Gambar 3. 18 Potongan melintang struktur rel kereta api skala tereduksi
e. Beban aksial yang akan diberikan berupa lempengan besi yang dicoak
(Slotted Weights). Beban beserta perlengkapan lainnya dapat dilihat pada
commit to user
Gambar 3. 19 Set Up Pembebanan pada Media Pasir
Gambar 3. 20 Set Up Pembebanan pada Media Pasir dan Lempung dengan
commit to user
3.4.4 Pengujian Pembebanan Model
Pengujian pembebanan dilakukan untuk mengetahui penurunan model
sistem rel kereta api skala tereduksi. Pekerjaan yang dilakukan pada tahap
pengujian ini meliputi :
Melakukan pembebanan dengan metode beban tertahan (maintained
load) sesuai ASTM D1143-57T dalam Hardiyatmo (2010).
Metode ini dilakukan secara bertahap. Beban awal yang akan diberikan
adalah 16 kg dan menerus dari ujung ke ujung rel per jarak 22,5 cm.
Setelah bacaan berhenti (stabil), kemudian dilakukan pembacaan
penurunan pada dial., penambahan beban selanjutnya dengan kelipatan
16 kg hingga maksimal 80 kg dapat diterapkan. (Gambar 3.21 dan
gambar 3.22)
Gambar 3. 21 Rangkaian tereduksi struktur rel kereta api
commit to user
3.4.5 Pelaksanaan Pengujian dan Pengambilan Data
Pengambilan data dilakukan dengan membaca dial gauge yang
dipasang merata pada masing-masing sisi rel sebanyak 5 buah.
Pembacaan dilakukan apabila dial gauge sudah tidak mengalami
pergerakan lagi (kondisi stabil).
Data yang diambil berupa bacaan dial gauge
Beban (kg)
Gambar 3. 23 Grafik hubungan besar penurunan pada saat beban ultimit
3.4.6 Pembahasan menggunakan Program PLAXIS.
Membuat model pada software PLAXIS
Menganalisis model yang sudah dibuat dan mencari data hubungan
tegangan-perpindahan model tanah
Membandingkan hasil data output software PLAXIS dengan hasil uji
3.4.7 Menganalisis hasil perbandingan data dari model uji dan software
PLAXIS.
