BAB 4 ALTERNATIF DESAIN DAN ANALISIS PER

(1)

STUDI STABILITAS DAN DESAIN PERKUATAN FONDASI JEMBATAN IR.SOEKARNO DI MANADO

BAB IV

ALTERNATIF

DESAIN

DAN

ANALISIS

PERKUATAN

FONDASI

4.1 ALTERNATIF PERKUATAN FONDASI CAISSON

Dari hasil bab sebelumnya, didapatkan kondisi tiang-tiang sekunder dari secant pile yang membentuk fondasi caisson tidak memiliki kapasitas yang cukup untuk menerima beban gempa. Tiang sekunder dengan diameter 880 mm didesain memiliki kapasitas momen sebesar 120 tm, sedangkan hasil analisis gaya dalam memberikan momen maksimum yang terjadi sebesar 270 tm. Pada bab ini akan dijelaskan alternatif desain perkuatan fondasi caisson tanpa mengubah desain asli fondasi caisson yang menggunakan tiang bor berdiameter 880 mm seperti telah dijelaskan pada bab III.

Ada beberapa pertimbangan dalam desain perkuatan fondasi caisson. Pertama, analisis desain perkuatan tidak melakukan analisis pada beban aksial saja karena analisis pada bab III memberikan kondisi bahwa fondasi caisson mampu menahan beban aksial baik untuk kondisi beban layan maupun beban gempa. Kedua, fokus desain adalah mengurangi momen maksimum yang terjadi pada fondasi caisson dan melakukan desain terhadap gaya-gaya dalam yang terjadi pada perkuatan. Ketiga, perkuatan yang diberikan tidak menggunakan tiang pancang beton sebab kondisi tanah di lapangan adalah tanah yang cukup keras pada kedalaman 20 m sampai kedalaman 26 m dengan N-SPT lebih dari 60, akibatnya tiang pancang beton diperkirakan sulit untuk menembus lapisan tersebut.

Awalnya akan dibuat desain menggunakan batter pile untuk menahan beban lateral dan momen untuk kondisi beban gempa, tetapi tiang pancang kemungkinan besar tidak akan dapat menembus lapisan keras tersebut di atas. Oleh karena itu perkuatan akan dibuat menggunakan tiang bor sehingga dapat mencapai keinginan yang diharapkan. Secara umum desain perkuatan direncanakan dengan menambahkan bored pile di sekeliling fondasi desain asli (fondasi caisson), maka kapasitas momen pada tiap tiang menjadi lebih besar sehingga dapat diterima oleh tiang berdiameter 880 mm dengan kapasitas momen 120 tm.

(2)

STUDI STABILITAS DAN DESAIN PERKUATAN FONDASI JEMBATAN IR.SOEKARNO DI MANADO Alternatif perkuatan yang direncanakan ada 2, yang pertama menggunakan 12 tiang tambahan di sekeliling fondasi caisson dengan mengunakan tiang-tiang bor berdiameter 1500 mm. Yang kedua adalah menggunakan 22 tiang tambahan di sekeliling fondasi caisson menggunakan diameter 1250 mm.

4.1.1 ALTERNATIF MENGGUNAKAN 12TIANG BERDIAMETER 1500 MM

Alternatif ini menambahkan 12 tiang bor di sekeliling fondasi caisson sehingga jumlah total tiang pada fondasi menjadi 57 tiang. Bored pile tersebut dikonstruksi hingga elevasi -42 m. Dengan penambahan bored pile, kapasitas momen dan gaya aksial pada tiap tiang akan lebih besar dibandingkan pada kondisi beban layan maupun pada kondisi beban gempa. Konfigurasi bored piles tambahan dapat dilihat pada Gambar 4.1 berikut.

(3)

4.1.2 ALTERNATIF MENGGUNAKAN 22TIANG BERDIAMETER 1250 MM

Alternatif ini menambahkan 22 tiang bor di sekeliling fondasi caisson sehingga jumlah total tiang pada fondasi menjadi 67 tiang. Bored pile tersebut dikonstruksi hingga elevasi -40 m. Konfigurasi tiang-tiang tambahan dapat dilihat pada Gambar 4.2 berikut.

Tiang 1-45 : Bored pile berdiameter 880 mm Tiang 46-67 : Bored pile berdiameter 1250 mm

(4)

4.2 ANALISIS ALTERNATIF PERKUATAN FONDASI CAISSON

Analisis terhadap kedua alternatif desain tersebut dilakukan mengunakan perangkat lunak dari Ensoft, yaitu Group Pile. Dan hasil analisis tersebut akan divalidasi menggunakan perangkat lunak dari CSI yaitu SAP. Kemudian dari hasil analisis dari kedua pearngkat luanak tersebut akan digunakan untuk membuat desain tulangan pada perkuatan fondasi caisson menggunakan perangkat lunak PCACOL.

4.2.1 ANALISIS MENGGUNAKAN GROUP PILE

4.2.1.1 PENAMBAHAN 12TIANG

Analisis awal pada perkuatan fondasi menggunakan Group Pile dengan konfigurasi desain awal, kondisi tanah dan pembebanan yang sama untuk kondisi beban gempa. Seperti telah dijelaskan sebelumnya, perkuatan yang diberikan dengan menambahkan 12 bored pile berdiameter 1500 mm. Selanjutnya hasil analisa ini akan divalidasi oleh program SAP.

(5)

Gambar 4.4. Tampak Tiga Dimensi Usulan Desain Perkuatan 57 Tiang

Hasil-hasil analisis menggunakan GROUP untuk perkuatan 12 tiang berdiameter 1500 mm pada kondisi gempa dapat dilihat dalam grafik-grafik yang ditunjukkan pada Gambar 4.5, 4.6, dan 4.7.

(6)

Gambar 4.6. Momen pada tiang bor untuk perkuatan 57 tiang kondisi pembebanan 1

(7)

Gambar 4.8. Axial Load pada tiang bor untuk perkuatan 57 tiang kondisi pembebanan 1

Tabel 4.1 Rangkuman gaya dalam akibat beban gempa untuk perkuatan 57 tiang kondisi pembebanan 1

Ket erangan Diamet er

0. 88m 1. 5m

Max. Axial Load (t on) 335 793

Max. Bending Moment (t on. m) 120 540

Max. Horizont al Load (t on) 40 112

(8)

Gambar 4.9. Defleksi pada tiang bor untuk perkuatan 57 tiang kondisi pembebanan 2

(9)

Gambar 4.11. Gaya Geser pada tiang bor untuk perkuatan 57 tiang kondisi pembebanan 2

Gambar 4.12. Axial Load pada tiang bor untuk perkuatan 57 tiang kondisi pembebanan 2

Tabel 4.2 Rangkuman gaya dalam akibat beban gempa untuk perkuatan 57 tiang kondisi pembebanan 2

0. 88m 1. 5m

(10)

4.2.1.2 PENAMBAHAN 22TIANG

Pemodelan geometri fondasi dan kondisi tanah untuk analisis GROUP dapat dilihat pada Gambar 4.13 dan 4.14.

Gambar 4.13. Tampak Samping Usulan Desain Perkuatan 67 Tiang

(11)

STUDI STABILITAS DAN DESAIN PERKUATAN FONDASI JEMBATAN IR.SOEKARNO DI MANADO Model perkuatan dianalisis dengan 2 kondisi pembebanan yang berbeda seperti yang dapat dilihat pada bab sebelumnya. Besarnya beban tetap sama menggunakan beban gempa, tetapi arah gaya lateral dan momen yang dibedakan. Kondisi 1 membebani fondasi dengan gaya lateral searah dengan sumbu x global dan momen searah dengan sumbu y global, sedangkan kondisi 2 membebani fondasi dengan gaya lateral searah dengan sumbu y global dan momen searah dengan sumbu x global. Pembebanan menggunakan kedua kondisi memberikan hasil yang sama.

Hasil-hasil analisis menggunakan GROUP untuk perkuatan 22 tiang tambahan berdiameter 1250 mm disajikan dalam Gambar 4.15, 4.16, 4.17 dan 4.18 untuk kondisi beban beban gempa.

(12)

Gambar 4.16. Momen pada tiang bor untuk perkuatan 67 tiang

(13)

Gambar 4.18. Axial Load pada tiang bor untuk perkuatan 67 tiang

Tabel 4.3. Rangkuman Gaya Dalam Kondisi Beban Gempa untuk perkuatan 67 tiang

0. 88m 1. 25m

Max. Axial Load (t on) 274 526

Max. Horizont al Load (t on) 36 68

4.2.2 ANALISIS MENGGUNAKAN SAP

Analisis terhadap design perkuatan menggunakan SAP dimaksudkan sebagai validasi terhadap analisis menggunakan Group Pile. Analisis terhadap gaya-gaya dalam dari Group Pile didekatkan menggunakan permodelan tiang dengan adanya tanah di sekitar tiang sebagai pegas. Model dari tiang menggunakan frame, sedangkan pile cap dibuat menggunakan shell. Kemudian tanah yang dimodelkan sebagai pegas dibuat menggunakan spring. Nilai dari kekakuan spring ini menggunakan nilai subgrade reaction dengan metode dari Scott (persamaan 2.86 dan 2.87) untuk tanah pasir dan metode dari Bowles (persamaan 2.88) untuk tanah lempung. ini Beban dimasukkan, seperti halnya pada analisis pada design awal fondasi caisson, tanpa menggunakan faktor apapun sebagai live load dalam SAP.

(14)

STUDI STABILITAS DAN DESAIN PERKUATAN FONDASI JEMBATAN IR.SOEKARNO DI MANADO berdiameter 1250 mm. Sedangkan design asli fondasi caisson tidak diubah sama sekali, tetap dengan jumlah tiang yang sama menggunakan tiang bor berdiameter 880 mm.

Nilai-nilai subgrade reaction untuk 3 tiang dengan diameter yang berbeda-beda di atas yang akan digunakan sebagai permodelan dalam analisis perkuatan fondasi caisson adalah sebagai berikut :

Tabel 4.3. Perhitungan Nilai Subgrade Reaction Lapisan Lempung

Dept h Soil Type Es (kN/ m

Tabel 4.4. Perhitungan Nilai Subgrade Reaction Lapisan Pasir

d pile (m) 0. 88 1. 5 1. 25

Model kemudian dianalisis dengan 2 kondisi pembebanan yang berbeda seperti yang dapat dilihat pada bab sebelumnya. Besarnya beban tetap sama menggunakan beban gempa, tetapi arah gaya lateral dan momen yang dibedakan. Kondisi 1 membebani fondasi dengan gaya lateral searah dengan sumbu x global dan momen searah dengan sumbu y global, sedangkan kondisi 2 membebani fondasi dengan gaya lateral searah dengan sumbu y global dan momen searah dengan sumbu x global.

4.2.2.1 ANALISIS PERKUATAN 12TIANG BERDIAMETER 1500 MM

(15)

Gambar 4.19 Grid dalam permodelan perkuatan 57 tiang

(16)

Perangkat lunak ini memberikan model yang terdeformasi akibat beban luar pada Gambar 4.16, rangkuman hasil analisis penambahan 12 tiang ini disajikan pada Tabel 4.5 dengan hasil selengkapnya dapat dilihat dalam lampiran.

(a) (b) Gambar 4.21 Deformed Shape Perkuatan 57 tiang

(a) Pembebanan Kondisi 1 (b) Pembebanan Kondisi 2

Tabel 4.5 Rangkuman hasil analisis SAP pada perkuatan 57 tiang

Kondisi Pembebanan

Max. Displacement (m) Max. Bending Moment

(kNm) Max. Shear (kN)

BP 880 mm BP 1500 mm BP 880 mm BP 1500 mm BP 880 mm BP 1500 mm

Kondisi 1 0. 0211 0. 0210 1162. 18 3183. 88 476. 05 830. 35

Kondisi 2 0. 0197 0. 0196 1220. 58 3635. 04 472. 57 855. 87

Hasil pada Tabel 4.5 menunjukkan bahwa momen terbesar akan terjadi dengan pembebanan kondisi 1 yaitu sebesar 1220,58 kNm untuk tiang 880 mm dan 3635,04 kNm untuk tiang 1500 mm. Pada bab sebelumnya telah dijelaskan bahwa kapasitas tiang berdiameter 880 mm adalah 1200 kNm, sehingga dengan konfigurasi perkuatan ini tiang berdiameter 880 mm tidak aman.

4.2.2.2 ANALISIS PERKUATAN 22TIANG BERDIAMETER 1250 MM

(17)

Gambar 4.22 Grid dalam permodelan perkuatan 67 tiang

(18)

STUDI STABILITAS DAN DESAIN PERKUATAN FONDASI JEMBATAN IR.SOEKARNO DI MANADO Perangkat lunak ini memberikan model yang terdeformasi akibat beban luar pada Gambar 4.24, rangkuman hasil analisis penambahan 22 tiang ini disajikan pada Tabel 4.6 dengan hasil selengkapnya dapat dilihat pada lampiran.

(a) (b)

Gambar 4.24 Deformed Shape Perkuatan 67 tiang (c) Pembebanan Kondisi 1 (d) Pembebanan Kondisi 2

Tabel 4.6 Rangkuman hasil analisis SAP pada perkuatan 67 tiang

Loading Condit ion

Max Displacement (m) Max Bending Moment

(kNm) Max Shear (kN)

BP 880 mm BP 1250 mm BP 880 mm BP 1250 mm BP 880 mm BP 1250 mm

Condit ion 1 0. 0178 0. 0178 1026. 18 2022. 31 411. 63 596. 91

Condit ion 2 0. 0169 0. 0168 1083. 15 2218. 57 412. 24 607. 94

(19)

4.2.3 RANGKUMAN ANALISIS MENGGUNAKAN GROUP PILE DAN SAP

Berikut ini adalah rangkuman hasil analisis menggunakan GROUP PILE dan SAP :

Tabel 4.7 Rangkuman hasil analisis menggunakan GROUP PILE dan SAP

57 Tiang 67 Tiang

Group Pil e SAP Group Pile SAP

880mm 1500mm 880mm 1500mm 880mm 1250mm 880mm 1250mm Max. Bending

Moment (kN. m) 1200 5600 1221 3635 1200 2800 1083 2219

Max. Shear (kN) 400 1120 476 856 360 680 412 607

Max. Displacement

(m) 0. 028 0. 028 0. 021 0. 021 0. 026 0. 026 0. 018 0. 018

Berdasarkan tabel di atas dapat disimpulkan bahwa untuk 57 tiang, gaya dalam yang terjadi pada fondasi Caisson masih melebihi kapasitas tiang. Tetapi kelebihan tersebut cukup kecil dibandingkan nilai momen itu sendiri sehingga dapat ditoleransikan. Sedangkan untuk 67 tiang, gaya dalam yang terjadi tidak melebihi kapasitas tiang. Sehingga solusi yang digunakan adalah perkuatan 67 tiang.

4.3 DESAIN PENULANGAN TIANG PERKUATAN FONDASI CAISSON

Analisis untuk penulangan bored pile perkuatan fondasi dilakukan dengan menggunakan hasil analisa sebelumnya. Gaya-gaya yang bekerja pada tiang digunakan untuk desain penulangan menggunakan program PCACOL.

4.3.1 DESAIN PENULANGAN PERKUATAN 12TIANG TAMBAHAN BERDIAMETER 1500 MM

Berikut akan dijabarkan desain penulangan perkuatan 12 tiang tambahan berdiameter 1500 mm.

4.3.1.1 TULANGAN LONGITUDINAL PERKUATAN 12TIANG BERDIAMETER 1500 MM

Dari grafik momen didapatkan momen terbesar yang terjadi pada bored pile adalah 5400 kNm. Momen hasil analisa ini dipakai sebagai masukan dalam penulangan bored pile diameter 1500 mm menggunakan PCACOL. Momen ultimit yang digunakan dalam program PCACOL adalah sebagai berikut:

M-ult = 1.5 x 5400 kNm = 8100 kNm

(20)

STUDI STABILITAS DAN DESAIN PERKUATAN FONDASI JEMBATAN IR.SOEKARNO DI MANADO Ec = 27805.6 Mpa

fc = 29.75 Mpa β1 = 0.796192 fy = 400 Mpa Es = 200000 MPa

Konfigurasi penulangan, dan diagram interaksi hasil perhitungan menggunakan program PCACOL ditunjukkan dalam gambar-gambar di bawah ini.

Gambar 4.25. Konfigurasi Penulangan Bored Pile diameter 1500

mm

Gambar 4.26. Diagram Interaksi Penulangan Bored Pile diameter 1500 mm

(21)

4.3.1.2 TULANGAN GESER PERKUATAN 12TIANG BERDIAMETER 1500 MM

Bor pile yang didesain sebagai perkuatan untuk fondasi caisson ini dari hasil analisis struktur sebelumnya akan mendapatkan gaya geser maksimum sebesar 1120 kN (untuk tambahan 12 tiang). Oleh karena itu perlu dilakukan perencanaan kapasitas geser tiang terhadap gaya geser yang terjadi pada tiang-tiang tambahan.

Untuk perkuatan dengan 12 tiang, direncanakan akan digunakan bor pile sebagai berikut: b = 1500 mm

Untuk mengecek kondisi gaya geser yang terjadi terhadap kekuatan geser beton: Vu = 1120 kN

Kapasitas geser beton:

bd

(22)

Tulangan geser yang digunakan :

d = 13 mm

Ab = 132,73 mm2 s = 100 mm

Tulangan geser minimum Region 2 :

y

Cek kapasitas tulangan geser:

s

(23)

STUDI STABILITAS DAN DESAIN PERKUATAN FONDASI JEMBATAN IR.SOEKARNO DI MANADO dengan diameter tulangan 13 mm dipasang dengan jarak tiap 100 mm untuk kedalaman tiang dari -2 m sampai -12 m. Untuk kedalaman -12 m geser terbesar yang terjadi adalah lebih kecil dari 400 kN < Vc/2 , sesuai dengan kondisi zone 1 pada ACI 318, kondisi tersebut tidak membutuhkan tulangan geser. Tetapi tulangan tetap digunakan untuk mengantisipasi bila terjadi keruntuhan geser. Tulangan geser yang digunakan untuk kedalaman -12 m sampai -27 m adalah diameter 13 mm dengan jarak tiap 150 mm. Sedangkan untuk kedalaman -27 m sampai -42 m digunakan tulangan berdiameter 12 mm dengan jarak tiap 200 mm.

- 2 m

(24)

STUDI STABILITAS DAN DESAIN PERKUATAN FONDASI JEMBATAN IR.SOEKARNO DI MANADO Berikut ini merupakan gambar tampak atas dan potongan A-A pada perkuatan dengan konfigurasi 57 tiang.

2

7 ,8

7 m

18,17 m

d 1,50 m

d 0,88 m

A

(25)

(26)

4.3.2 DESAIN PENULANGAN PERKUATAN 22TIANG TAMBAHAN BERDIAMETER 1250 MM

4.3.2.1 TULANGAN LONGITUDINAL PERKUATAN 12TIANG BERDIAMETER 1500 MM

Dari grafik momen didapatkan momen terbesar yang terjadi pada bored pile adalah 3000 kNm. Momen hasil analisa ini dipakai sebagai masukan dalam penulangan bored pile diameter 1250 mm menggunakan PCACOL. Momen ultimit yang digunakan dalam program PCACOL adalah sebagai berikut:

M-ult = 1.5 x 3000 kNm = 4500 kNm

Sebagai masukan yang digunakan dalam analisa program PCACOL adalah sebagai berikut : f’c = 30 MPa

Ec = 25743 Mpa fc = 25.5 Mpa β1 = 0.83245 fy = 400 Mpa Es = 200000 MPa

Konfigurasi penulangan, dan diagram interaksi hasil perhitungan menggunakan program PCACOL ditunjukkan dalam gambar-gambar di bawah ini.

(27)

mm

Gambar 4.31. Diagram Interaksi Penulangan Bored Pile diameter 1250 mm

Untuk bored pile tambahan dengan diameter 1250 mm digunakan tulangan sebesar 28 D32 atau sekitar 1.87% dengan tebal selimut beton diperhitungkan sebesar 80 mm.

Dari analisis dan perhitungan yang dilakukan, penulangan bored pile tambahan untuk disain dapat dilihat pada Gambar 4.29.

4.3.2.2 TULANGAN GESER PERKUATAN 12TIANG BERDIAMETER 1500 MM

Bor pile yang didesain sebagai perkuatan untuk fondasi caisson ini dari hasil analisis struktur sebelumnya akan mendapatkan gaya geser maksimum sebesar 680 kN (untuk tambahan 22 tiang). Oleh karena itu perlu dilakukan perencanaan kapasitas geser tiang terhadap gaya geser yang terjadi pada tiang-tiang tambahan.

Untuk perkuatan dengan 22 tiang, direncanakan akan digunakan bor pile sebagai berikut: b = 1250 mm

d = 1170 mm Ag = 1227185 mm2

tul. longitudinal = 28 D 32 fc’ = 30 MPa

fyh = 400 Mpa Es = 2.105 Mpa

(28)

STUDI STABILITAS DAN DESAIN PERKUATAN FONDASI JEMBATAN IR.SOEKARNO DI MANADO Kapasitas geser beton:

bd

0,166 1 0, 073 30.1250.1170 /1000 0,8(1227185)

Batas-batas Region (ACI 318)

a Batas Region 1

0, 083 30.1250.1170 /1000<V_n≤0,166 30.1500.1400 /1000

664, 9kN<V_n≤1909, 36kN Æ Vn = 906, 7 kN