Alternatif Desain Konstruksi Terowongan Headrace Bendungan Warsamson Kabupaten Sorong Dengan Metode Elemen Hingga 2D Dan 3D JURNAL ILMIAH

Alternatif Desain Konstruksi Terowongan Headrace Bendungan

Warsamson Kabupaten Sorong Dengan Metode Elemen Hingga 2D Dan

3D

JURNAL ILMIAH

Diajukan untuk memenuhi persyaratan

memperoleh gelar Sarjana Teknik

Disusun Oleh :

Kukuh Prasetyo Pangudi Utomo

NIM. 0910640053-64

KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN

UNIVERSITAS BRAWIJAYA

FAKULTAS TEKNIK

JURUSAN TEKNIK PENGAIRAN

MALANG

LEMBAR PERSETUJUAN

Alternatif Desain Konstruksi Terowongan Headrace Bendungan

Warsamson Kabupaten Sorong Dengan Metode Elemen Hingga 2D Dan

3D

JURNAL ILMIAH

Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan

memperoleh gelar Sarjana Teknik (S.T.)

Disusun Oleh :

Kukuh Prasetyo Pangudi Utomo

NIM. 0910640053-64

Menyetujui :

Dosen Pembimbing I

Ir. Suwanto Marsudi, MS

NIP. 19611203 198603 1 004

Dosen Pembimbing II

Prima Hadi Wicaksono. S.T, M.T NIP. 19750722 200012 1 001

Alternatif Desain Konstruksi Terowongan Headrace Bendungan

Warsamson Kabupaten Sorong Dengan Metode Elemen Hingga 2D Dan

3D

Suwanto Marsudi1,Prima Hadi Wicaksono1, Kukuh Prasetyo P.U2

1

Dosen Jurusan Teknik Pengairan 2

Mahasiswa Jurusan Teknik Pengairan

email : kukuhppu@gmail.com

ABSTARK

Terowongan pengantar (Headrace) merupakan bagian dari bendungan yang memiliki fungsi sebagai saluran penyalur menjadi bagian utama dalam sistem pembangkit listrik, karena menjadi saluran pertama sebelum aliran air menuju pipa pesat. Terowongan headrace merupakan bagian dari PLTA Warsamson Kabupaten Sorong, lokasi terowongan berada di kedalaman 54 meter diatas permukaan tanah dengan lapisan batuan yang menutupi jenis breksi (RQD 20%). Rencana terowongan memiliki 2 alternatif desain yaitu penampang tapal kuda dan penampang lingkaran serta dimodelkan dalam bentuk 2D dan 3D menggunakan konsep metode elemen hingga (finite element).

Program komputer yang berbasis elemen hingga digunakan dalam perhitungan deformasi displacement terowongan sedangkan perhitungan pembebanan yang bekerja pada keseluruahn penampang terowongan dihitung secara manual, hasil pembebanan dijadikan sebagai input data pada tabel Beggs Deformation analysis of single barrel conduit yang menghasilkan nilai momen, nilai normal, dan nilai lintang pada seluruh penampang terowongan. Hasil dari tabel digunakan mendesain struktur penulangan terowongan yang layak untuk keamanan. Secara teknis diperoleh dari dua alternatif desain penampang terowongan didapatkan desain tapal kuda D = 8.2 m nilai pembebanan terbesar yang terjadi dikondisi kosong terbesar dengan nilai momen 296.7597 ton.m, nilai normal 414.0239 ton, nilai lintang -300.437 ton sedangkan pada desain penampang lingkaran D = 7.2 m nilai kondisi kosong dengan momen 147.4325 ton.m, normal 645.017 ton, lintang -302.392 ton.

Hasil deformasi displacement dinding terowongan menggunakan program computer berbasisi elemen hingga didapatkan desain Tapal kuda 0.034 meter sedangkan lingkaran 0.070 meter. Pada detail penulangan beton besar diameter tulangan dengan kekuatan f’c = 35 MPa dan fy = 400 MPa yang dihasilkan sesuai dengan SNI-2002 tapal kuda: Tulangan Utama 2D22-125 dan tulangan bagi D14-140, desain lingkaran: tulangan utama 2D20-100 dan tulangan bagi D12-200. Berdasarkan hasil perhitungan maka desain tapal kuda menjadi alternatif desain terowongan yang disarankan karena memiliki deformasi displacement nilai paling kecil.

ABSTRACT

Headrace Tunnel is part of dams which have function as channel being main system of dams for electric installation. It caused be early first channel before water from reservoir goes to penstock. Headrace tunnel being a part of PLTA WARSAMSON system Sorong City West Papua, position Tunnel deep in 54 meter from top surface soil, tunnel overburden covered by breccia layer with Rock Quality Designation (RQD) 20%. For designing tunnel have two option horseshoe type and Circular type and additional design using form 3 Dimension and 2 Dimension by finite element method.

Computer program which have finite element analysis, it used to measure rock deform and displacement on tunnel wall, determining loads on entire tunnel measured manually, after that result of loads used for input in Beggs Deformation analysis of single barrel conduit table to calculate tunnel mechanic for Moment, Normal, and Shear. the last phase designing reinforced concrete deserve for safety tunnel. Horseshoe type have diameter 8.2 meter get maximum moment = 296.7597 ton.m, normal 414.0239 ton, shear = -300.437 ton on empty condition, circular type have diameter 7.2 meter get maximum moment = 296.7597 ton.m, normal 414.0239 ton, shear = -300.437 ton on empty condition.

Deformation Tunnel obtained by computer program for the result get different value, on Horseshoe Type 0.034 meter and Circular 0.070 meter. Reinforced concrete use f’c = 35 MPa dan fy = 400 MPa, detailing reinforced concrete for two type have differently value: horseshoe type obtain main reinforced concrete 2D22-125, additional reinforced concrete D14-140 and circular type obtain main reinforced Concrete 2D20-100, additional reinforced Concrete D12-200. Based on result of designation that Horseshoes type prefer than circular to design tunnel caused result of displacement obtained by horsehoes smaller than circular influence tunnel safety.

1. PENDAHULUAN

Pembangunan bendungan di sungai Warsamson yang melin-tasi perbatasan wilayah Kabupaten Sorong dengan Kota Sorong menjadi solusi yang tepat ditengah permasalahan akan kebutuhan listrik. Pembangunan bendungan yang dinamakan PLTA Warsamson diprakarsai PT. PLN de-ngan kapasitas listrik dede-ngan rencana yang fungsi sebagai pembangkit listrik maka bagian tampungan dan terowongan penyalur menjadi merupakan hal utama.

Gambar 1. Lokasi Studi PLTA WARSAMSON

Tata letak yang berada didalam tanah secara langsung akan memberikan pengaruh berupa pembebanan secara vertikal dan horisontal selain itu faktor hidrogeologi diluar terowongan dan air yang melewati terowongan akan memberi kan tekanan pada terowongan dari dalam serta luar.

Desain terowongan head-race di-perlukan alternatif desain konstruksi yang berdasar pada mekanika teknik terowong-an yang kuat dari sisi besar momen, lintang dan normal yang dihasilkan dengan bantuan konsep dasar metode elemen hing-ga yang dapat menjelaskan deformasi yang terjadi pada terowongan dengan bantuan program komputer.

2. BAHAN DAN METODE

Dalam penyelesaian studi ini disusun suatu metode teknis secara me-nyeluruh menganalisa berbagai data terse-but untuk keperluan perencanaan desain konstruksi, analisis tersebut diantaranya analisa data mekanika batuan berupa data batuan utuh

(intact rock) dan data massa batuan (rock

mass) keduanya diubah men-jadi data massa

batuan dan diperhitungkan menjadi hasil kostanta batuan (mb), kohesi (c), sudut geser (ϕ), poisson ratio’s, koefisien at-res (Ko), dan modulus elastisitas (Em).

Analisa pembebanan menjelaskan besar tekanan yang bekerja di terowongan pada tiga kondisi (akibat water hammer, pe-nuh air, kosong dan tiap kondisi dengan gempa). Analisa deformasi/ displacement terowongan mengetahui pergerakan geologi terowongan akibat pembangunan terowong-an dengterowong-an pendekatterowong-an program komputer berbasis elemen hingga, analisa perhitungan mekanika teknik terowongan menggunakan tabel Beggs Deformation analysis of single

barrel conduit, perencanaan detail beton

bertulang pada terowongan sesuai SNI 03-2847-2002.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

 Parameter Batuan

Lapisan Geologi yang menutupi terowongan terdapat tiga lapis dasar utama sesuai dengan borehole 6 yaitu lapisan tan-ah, lapisan breksi (RQD 20%), dan lap-isan andesit (70%). Pada input perangkat lunak computer metode elemen hingga

Program komputer berbasis elemen hingga memerlukan parameter batuan tiap segmen.

Penentuan parameter batuan dimulai sesuai rumus Hoek Brown dengan

1. Penentuan Konstanta Hoek Brown (mb):

(

) (1)

mi = Konstanta batuan GSI = Geology Strength Index 2. Paramater kekuatan kohesi © dan sudut geser (ɸ) sesuai dengan rumus Hoek Brown (1983) Menentukan nilai-nilai tegangan vertical dan tegangan sel dalam triaxial ( ) (2)

Dengan memasukkan nilai σ3 mulai dari nol hingga mencapai setengah σci (intact rock) dan hasilkan bentuk persamaan dalam grafik sesuai σ1 = kσ3 + σm. di dapatkan hasil:  Sudut geser φ = (3)  Kohesi (c) = (4)  Koefisien at rest Ko = (5)  Modulus Elastisitas (6)  Pembebanan Terowongan

Kondisi eksiting terowongan di je-laskan pada gambar 1. dibawah ini

Tabel. 1 Hasil Parameter Batuan

Sumber: Perhitungan

Kedalaman m 0.0-1.0 1.0-50.0 60.0 -70.0

Jenis Batuan/Tanah Top Soil Breksi Andesit

Rock Quality Designation RQD % - 20 70

Berat Jenis Tanah ɣ (kN/m3) 28.2 20 20

Berat Jens Tanah Saturated ɣsat (kN/m3) 28.1 20 20

Sudut Geser ɸ 19.1 49.027 62.16

Tekanan Tanah At-rest Ko 0.85 0.24 0.11

Position Ratio v 0.23 0.1 0.25

Kohesi c (kN/m3) 38.9 16961 16940

Modulus Elastisitas Em (kN/m3) 7880 1778279 17782794

Gambar 2. Eksisting Terowongan Sumber:Perhitungan

Perhitungan pembebanan yang terjadi pada terowongan terdapat dua yaitu

 Arah vertikal

1. Tekanan Batuan Atas

Pv = Pv = γ . Hp (7)

Hp = 0.7 (B+HT) (Deree) (8)

Dengan γ = berat jenis batuan B = Lebar terowongan HT = Tinggi Terowongan

Hp = Head Pressure 2. Tekanan Air Tanah Atas

Pwv = γw . Hw (9)

Dengan γ = berat jenis air

Hw = Tinggi muka Air Tanah

3. Tekanan uplift

Puplift = Yw . (Hw + HT) (10)

4. Berat Sendiri

P = x γbeton Dengan

Aluar = Luas Terowongan luar

Adalam= Luas Terowongan dalam

5. Berat Air Kondisi Penuh

P = Yw . Adalam (11)

6. Tekanan water hammer P = Yw .Hsurgetank

 Arah horizontal

1. Tekanan Batuan Aktif (Terzaghi) (12) 2. Tekanan air tanah aktif

Pwh = γw . Hw (13)

 Kondisi Gempa

Lokasi studi daerah Kabupaten Sorong termasuk kategori rawan bencana gempa dengan masuk kategori F sesuai SNI-2002. (14) (15) ad = Percepatan Gempa Z = Zona Gempa Ac = Periode ulang V = Faktor Koreksi

Pembangunan terowongan dibagi men-jadi 26 section dengan persection 10 meter dengan pertimbangan panjang bentang maksimal 10 meter. Keseluruhan hasil pem-bebanan sebagai berikut:

Tabel 2. Beban Vertikal Tapal Kuda

Sumber:Perhitungan

Tanah Air Tanah Berat Sendiri Berat Air Dalam Penuh Tekanan Water Hammer

t/m t/m t/m t/m t/m 1 22.96 28.14 7.52 6.75 24.73 2 22.96 36.42 7.52 6.75 24.75 3 22.96 43.9 7.52 6.75 24.78 4 11.48 43.1 7.52 6.75 24.80 5 11.48 42.27 7.52 6.75 24.83 6 11.48 41.9 7.52 6.75 24.85 7 11.48 41.41 7.52 6.75 24.88 8 11.48 40.51 7.52 6.75 24.90 9 11.48 39.72 7.52 6.75 24.93 10 11.48 38.8 7.52 6.75 24.95 11 11.48 37.98 7.52 6.75 24.98 12 11.48 37.11 7.52 6.75 25.00 13 11.48 36.26 7.52 6.75 25.03 14 11.48 35.43 7.52 6.75 25.05 15 11.48 34.59 7.52 6.75 25.08 16 11.48 33.71 7.52 6.75 25.10 17 11.48 32.89 7.52 6.75 25.13 18 11.48 32.03 7.52 6.75 25.15 19 11.48 31.15 7.52 6.75 25.18 20 11.48 30.34 7.52 6.75 25.20 21 11.48 29.47 7.52 6.75 25.23 22 11.48 28.61 7.52 6.75 25.25 23 11.48 27.7 7.52 6.75 25.28 24 11.48 26.89 7.52 6.75 25.30 25 11.48 26.43 7.52 6.75 25.33 26 11.48 25.67 7.52 6.75 25.35 Point Tekanan Vertikal

Tabel 3. Beban Horisontal Tapal Kuda

Sumber: perhitungan

Gambar 3. Arah Beban Total Tapal Kuda Sumber: perhitungan

Tabel 4. Beban Vertikal Lingkaran

Sumber: perhitungan

Tabel 5. Beban Horisontal Lingkaran

Sumber:Perhitungan Batuan Aktif (Ph) Air Tanah Aktif Pwh1 Air Tanah Aktif Pwh2Batuan Gempa Berat sendiri Gempa

t/m t/m t/m t/m t/m 1 9.35 28.14 35.84 8.667 2.840 2 9.35 36.42 44.12 8.667 2.840 3 9.35 43.90 51.60 8.667 2.840 4 5.90 43.10 50.80 4.333 2.840 5 5.90 42.27 49.97 4.333 2.840 6 5.90 41.90 49.60 4.333 2.840 7 5.90 41.41 49.11 4.333 2.840 8 5.90 40.51 48.21 4.333 2.840 9 5.90 39.72 47.42 4.333 2.840 10 5.90 38.80 46.50 4.333 2.840 11 5.90 37.98 45.68 4.333 2.840 12 5.90 37.11 44.81 4.333 2.840 13 5.90 36.26 43.96 4.333 2.840 14 5.90 35.43 43.13 4.333 2.840 15 5.90 34.59 42.29 4.333 2.840 16 5.90 33.71 41.41 4.333 2.840 17 5.90 32.89 40.59 4.333 2.840 18 5.90 32.03 39.73 4.333 2.840 19 5.90 31.15 38.85 4.333 2.840 20 5.90 30.34 38.04 4.333 2.840 21 5.90 29.47 37.17 4.333 2.840 22 5.90 28.61 36.31 4.333 2.840 23 5.90 27.70 35.40 4.333 2.840 24 5.90 26.89 34.59 4.333 2.840 25 5.90 26.43 34.13 4.333 2.840 26 5.90 25.67 33.37 4.333 2.840 Section Tekanan Horizontal

Tanah Tekanan Batuan Berat sendiri Ph Pw1 Pw2 t/m t/m t/m 1 8.51 28.14 35.34 7.60 1.10 2 8.51 36.42 43.62 7.60 1.10 3 8.51 44.45 51.65 7.60 1.10 4 5.48 43.60 50.80 3.80 1.10 5 5.48 42.77 49.97 3.80 1.10 6 5.48 42.40 49.60 3.80 1.10 7 5.48 41.91 49.11 3.80 1.10 8 5.48 41.01 48.21 3.80 1.10 9 5.48 40.22 47.42 3.80 1.10 10 5.48 39.30 46.50 3.80 1.10 11 5.48 38.48 45.68 3.80 1.10 12 5.48 37.61 44.81 3.80 1.10 13 5.48 36.76 43.96 3.80 1.10 14 5.48 35.93 43.13 3.80 1.10 15 5.48 35.09 42.29 3.80 1.10 16 5.48 34.21 41.41 3.80 1.10 17 5.48 33.39 40.59 3.80 1.10 18 5.48 32.53 39.73 3.80 1.10 19 5.48 31.65 38.85 3.80 1.10 20 5.48 30.84 38.04 3.80 1.10 21 5.48 29.97 37.17 3.80 1.10 22 5.48 29.11 36.31 3.80 1.10 23 5.48 28.20 35.40 3.80 1.10 24 5.48 27.39 34.59 3.80 1.10 25 5.48 26.43 33.63 3.80 1.10 26 5.48 26.17 33.37 3.80 1.10

Tekanan Horisontal Akibat Gempa Air Tanah

Tekanan Horisontal Point

t/m t/m

Tanah Air Tanah Berat Sendiri Berat Air Dalam Penuh Tekanan Water Hammer t/m t/m t/m t/m t/m 1 20.16 28.14 2.92 6.20 24.23 2 20.16 36.42 2.92 6.20 24.25 3 20.16 44.45 2.92 6.20 24.28 4 10.08 43.6 2.92 6.20 24.30 5 10.08 42.77 2.92 6.20 24.33 6 10.08 42.4 2.92 6.20 24.35 7 10.08 41.91 2.92 6.20 24.38 8 10.08 41.01 2.92 6.20 24.40 9 10.08 40.22 2.92 6.20 24.43 10 10.08 39.3 2.92 6.20 24.45 11 10.08 38.48 2.92 6.20 24.48 12 10.08 37.61 2.92 6.20 24.50 13 10.08 36.76 2.92 6.20 24.53 14 10.08 35.93 2.92 6.20 24.55 15 10.08 35.09 2.92 6.20 24.58 16 10.08 34.21 2.92 6.20 24.60 17 10.08 33.39 2.92 6.20 24.63 18 10.08 32.53 2.92 6.20 24.65 19 10.08 31.65 2.92 6.20 24.68 20 10.08 30.84 2.92 6.20 24.70 21 10.08 29.97 2.92 6.20 24.73 22 10.08 29.11 2.92 6.20 24.75 23 10.08 28.2 2.92 6.20 24.78 24 10.08 27.39 2.92 6.20 24.80 25 10.08 26.43 2.92 6.20 24.83 26 10.08 26.17 2.92 6.20 24.85 Point Tekanan Vertikal

Gambar 4. Arah Beban Total Lingkaran Sumber:Perhitungan

 Deformasi Terowongan

Penggunaan program computer berbasis elemen hingga untuk mengetahui kondisi deformasi dan displace-ment terowongan. Berikut hasil perhitungan:

Gambar 5. Hasil Total Displacement Tapal Kuda

Sumber:Perhitungan

Gambar 6. Hasil Total Displacement Dinding Lingkaran

Sumber:Perhitungan

Bentuk tapal kuda dengan diameter terowongan 8.2 meter dihasilkan nilai de-formasi batuan sekitar 34 cm dengan nilai displacement dinding terowongan 34 cm.

Gambar 7. Hasil Total Displacement Lingkaran

Gambar 8. Hasil Total Displacement Dinding Lingkaran

Sumber:Perhitungan

Bentuk lingkaran dengan diameter terowongan 7.2 meter dihasilkan nilai defor-masi batuan 19.5 cm dengan nilai displace-ment dinding terowongan 7 cm.

 Perhitungan Momen, Normal, dan

Lintang Terowongan

Untuk menentukan besarnya gaya momen, normal, dan lintang yang bekerja pada dinding terowongan dengan me-nggunakan persamaan.

M = km . W . r2 (16)

M = Momen segmen dinding (ton.m) km = koefisien momen

W = Beban yang bekerja (ton.m-2) r = Jari-jari Terowongan (m)

N = k. W. r (17)

Dengan

N = Gaya normal segmen dinding (ton) K = koefisien gaya normal

D = k . W . r (18)

Dengan

D = Gaya lintang segmen dinding (ton) K = Koefisien gaya lintang

Pada tabel Beggs Deformation analysis of single barrel conduit perhitungan

tapal kuda menggunakan koefisen tebal r/3 = 1 m sedangkan Lingkaran r/6 = 0.5 m. Tabel 6. Hasil Momen Normal Lintang

Sumber:Perhitungan

Pada kondisi kosong digunakan para-meter untuk penulangan terowongan karena memiliki nilai rata-rata momen, normal, dan lintang.

 Penulangan Konstruksi Terowongan Perhitungan tulangan terowongan menggunakan perhitungan kolom dengan kekuatan f’c = 35 MPa dan fy = 400 MPa.  Tapal Kuda

 Vertikal = 2D22-1125

 Horizontal = D14-140

Gambar 9. Detail Penulangn Hasil Tapal Kuda

Sumber: Perhitungan

M (ton.m) N (ton) L (ton) M(ton.m) N(ton) L(ton)

Water Hammer 211.1157 311.3209 -197.734 147.4325 569.6095 -302.392

Water Hammer Gempa 190.4366 311.3209 -197.734 140.6512 569.6095 -297.91 Penuh Air 290.5263 401.9134 -167.524 188.0674 601.7851 -567.011 Penuh Air Gempa 269.8472 446.539 -167.524 181.2862 601.7851 -562.529 Kosong 296.7597 414.0239 -300.437 147.4325 645.017 -302.392 Kosong Gempa 226.1727 807.9949 -300.437 140.6512 645.017 -250.615

Kondisi

Desain

 Lingkaran

 Vertikal = 2D20-100

 Horizontal = D12-20

Gambar 10. Detail Penulangn Hasil Lingkaran

Sumber: Perhitungan

 Kesimpulan

1. Perbandingan nilai tekanan vertikal yang bekerja lebih besar pada dimensi tapal kuda dibanding dimensi lingkaran.

2. Nilai displacement akibat deformasi pada penggunaan program computer berbasis elemen hingga dihasilkan Tapal Kuda lebih kecil dibanding lingkaran.

3. Nilai Mekanika Terowongan Momen, Normal dan Lintang yang dihasilkan Tapal Kuda lebih besar dibanding dimensi Lingkaran

4. Hasil Penulangan Terowongan dimensi beton serta baja yang digunakan tapal kuda lebih kecil dibanding Lingkaran. 5. Hasil analisa desain terowongan yang

terbaik menggunakan dimensi bentuk

Tapal Kuda dengan pertimbangan nilai

displacement yang dihasilkan lebih kecil

yang berpengaruh pada keamanan terowongan.

 Daftar Pustaka

 Anonim. 2012. a. Laporan Feasibility

Study PLTA Warsamson. Bandung: PT

Gama Epsilon

 Anonim. 2012. b. Laporan Penyelidikan

Geologi Daerah Rencana PLTA

Warsamson dan Sekitarnya. Bandung: PT

Gama Epsilon

 Hoek, E., Torres, C.C., Corkum, B. (2002). Hoek-Brown Failure Criterion (2002 Edition).

 Anonim, 2014. Lesson Of Loads Tunnel

Middle East Technical University Akses di

unduh 7 April 2014 di halaman

ce.metu.edu.tr%2F~ce439%2FSlideshows %2FLoads%2520on%2520Tunnels.ppt&e i=hZ1BU6H_KciUrAfto4GwBQ&usg=A FQjCNEEVxQcD6QEuqckv3DkspxCmV GbhA&sig2=FESlrs5lPvX0eh8VHX6iHQ &bvm=bv.64367178,d.bmk

 Kriswanto, Adi & Ardiansyah,S, Reza.

Analisis Stabilitas Terowongan Dengan Metode Elemen Hingga 2D Dan 3D Studi Kasus Terowongan Irigasi Panti Rao.

Bandung: Institut Teknologi Bandung

 Philips, H.B., & I.E. Allen. 1986. Beggs

Deformeter Stress Analysis of single Barrel Conduits. Colorado: United States

Bureau of Reclamation

 Singh, Bhawani., & Rajnish. K. Goel. 2006. Tunneling in Weak Rock. Bangalore: Elsevier

 Vis, W.C., & Gideon. H. Kusuma, 1996.

Dasar-dasar Perencanaan Beton Bertulang. Jakarta: Erlangga