Arifin Beddu1, Lawalenna Samang2, Tri Harianto3, dan Achmad Muhiddin4
1Mahasiswa Program Doktor Jurusan Teknik Sipil, Universitas Hasanuddi, Jl. Poros Malino-Gowa Email: [email protected]
2 Departemen Teknik Sipil, Universitas Hasanuddi, Jl. Poros Malino-Gowa Email: [email protected]
3 Departemen Teknik Sipil, Universitas Hasanuddi, Jl. Poros Malino-Gowa Email: [email protected]
4 Departemen Teknik Sipil, Universitas Hasanuddi, Jl. Poros Malino-Gowa Email: [email protected]
ABSTRAK
Penggunaan metode Rapid Impact Compaction (RIC) sebagai Low Energy Dynamic Compaction,LEDC untuk pemadatan lapisan timbunan dan deposit lapisan tanah yang tebal telah luas digunakan disejumlah negara. Namun peningkatan penggunaan metode tersebut belum diiringi pengembangan alat uji dilaboratorium yang sesuai dengan mekanisme kerja RIC. Untuk itu dalam penelitian ini dikembangkan inovasi alat pengujian metode RIC berbasis Elektro-Pneumatic Air Pressure yang di peruntukkan pada pengujian skala model laboratorium. Alat ini dirancang untuk bekerja pada sistem pembebanan dinamis dengan mekanisme kerja sebagai beban impak berulang.
Alat secara skematik terdiri atas beberapa bagian yaitu kompressor udara bertekanan kerja 6 bar sebagai sumber tekanan penumatik yang dilengkapi tabung 100-150 liter; Pneumatic double acting dengan panjang piston 50 cm berdiameter 10-12 cm dengan kapasitas angkat beban aktual maksimum 150 kg; valve converter tipe selenoid sebagai mekanis pengatur kondisi jalur tekanan udara; relief valve sebagai pengendali kelebihan tekanan udara, pemantau tekanan udara menggunakan pressure gauge. Untuk mensimulasikan proses dan frekuensi pembebanan dinamis impak yang berulang maka sistem alat uji ini dilengkapi dengan panel pengendali, PLC (Programmable Logic Controller) yaitu sistem elektronika digital yang dirancang mengendalikan valve converter dengan proses implementasi fungsi nalar kendali sekuensial dan operasi pewaktuan, pencacahan dan aritmatika. PLC terdiri dari processor, unit memori, unit kontrol, dan unit Input/Output module. Hasil yang didapatkan dari inovasi alat ini adalah dapat mensimulasikan energi pemadatan dengan menyesuaikan tinggi jatuh beban penumbuk, berat penumbuk dan mengatur frekuensi tumbukan dalam satuan waktu tertentu, sehingga dengan alat ini penelitian- penelitian pemadatan tanah berbasis Impact Compaction dapat dilakukan dilaboratorium.
Kata kunci: pneumatic air pressure, rapid impact compaction, low energy
1. PENDAHULUAN
Rapid Impact Compaction,RIC adalah sistem pemadatan tanah secara dinamis dengan konsep Low Energi Dynamic Compaction, (Parvizi, 2009) yang pertama kali diperkenalkan di United Kingdom di awal tahun 1990 sebagai metode yang awalnya digunakan untuk memperbaiki runway lapangan terbang yang rusak akibat bomb, dan sejak tahun 2003 telah mulai digunakan secara efektif dibeberapa negara seperti transportations agencies di the United States (Becker, 2011), Dubai UEA (Tarawneh & Matraji, 2014), dan negara-negara seperti Canada, South Africa, Japan, China and Iran.
Meskipun metode RIC saat ini telah banyak digunakan, namun perkiraan kedalaman efektif dan luasnya cakupan perbaikan kebanyakan diturunkan dari pengalaman lapangan (Adel M Hanna et.al, 2014) (Tarawneh & Matraji, 2014). Beberapa penelitian di laboratorium dan pemodelan numerik metode impact compaction sebelumnya telah dilakukan diantaranya adalah, (Airey, et.al, 2012),(Parvizi, 2009), (Arslan, et.al 2007) dengan fokus variabel yang diteliti adalah berat tamper, tinggi jatuh, diameter tamper, simulasi pembebanan dan sifat fisik tanah berbutir berupa kepadatan.
Namun berdasarkan siklus tumbukan dan berat tamper yang digunakan serta sistem dan perangkat pemadat yang digunakan belum menggambarkan metode Rapid Impact Compaction yang akan diteliti. Untuk itu direncanakan
melakukan penelitian dengan mengembangkan sistem pemadatan dinamis berupa Repeated Load tipe Rapid Impact Compaction berbasis penggerak mekanis berupa pneumatic air pressure pada piston double acting yang dikendalikan dengan sistem mikro kontroller.
Perangkat mekanis Repeated Load tipe Rapid Impact Compaction dapat diterapkan pada pemadatan struktur timbunan untuk mengembangkan hubungan parameter penelitian seperti energi pemadatan(massa penumbuk, tinggi jatuh, frekuensi tumbukan, ukuran geometri alas penumbuk) terhadap parameter karaketristik pemadatan tanah yaitu besarnya penurunan, pola dan jarak distribusi tegangan serta perubahan tekanan air pori pada lapisan tanah lunak dibawah lapisan timbunan yang bersesuaian dengan energi pemadatan yang dikenakan oleh sistem.
2. TINJAUAN PUSTAKA
Berbagai upaya dan inovasi teknologi telah dilakukan untuk meminimalkan permasalahan yang timbul pada konstruksi timbunan diatas tanah lunak, yang mana metodenya dapat dikelompokkan berdasarkan inovasi terhadap perkuatan struktur timbunan dan inovasi terhadap lapisan tanah lunaknya. (Liu, Ng, & Fei, 2007). (J. F. Chen,et al , 2015)(Cascone & Biondi, 2013) (Branch, et. al, 2016). Untuk mencapai kualitas timbunan pada kedua kelompok metode tersebut usaha pemadatan merupakan hal yang penting di perhatikan karena hal ini terkait dengan pengaruh yang ditimbulkannya baik pada lapisan konstruksi timbunannya sendiri maupun terhadap lapisan tanah lunaknya selama pelaksanaan konstruksi.
Diantara beberapa metode pemadatan seperti vibrocompaction dan dynamic compaction yang telah lama dan luas digunakan. Saat ini telah berkembang metode pemadatan lain yang dikenal sebagai Rapid Impact Compaction (RIC). Jika dibandingkan dengan vibrocompaction dan dynamic compaction yang dapat digunakan sampai kedalaman 10-60m, maka Rapid Impact Compaction (RIC) merupakan pemadatan dekat lapisan permukaan dengan kedalaman efektif pemadatan 4-10 m, namun masih lebih tebal dari dynamic roller dan static roller yang kurang dari 1m (Adam & Paulmichl, 2007). Rapid Impact Compaction telah sukses diterapkan pada beberapa negara.
Peralatan Rapid Impact Compaction, RIC terdiri atas tiga komponen utama Gambar 1 ; yaitu alas penumbuk (anvil);
alur penumbuk (rig) dan penumbuk (hammer;compactor). Karakteristik peralatan metode RIC dibedakan berdasarkan tipe berat penumbuk yang tersedia yaitu RIC 5000, RIC 7000 and RIC 9000 dimana angkanya menunjukkan berat penumbuk dalam kilogram, sementara untuk alas penumbuk seberat 4 ton, diameter alas penumbuk 1,5 m; pengaturan tinggi jatuh 0,8m-1,5m tetapi yang umum digunakan adalah 1,2m (Kristiansen &
Davies, 2004) (Serridge & Synac, 2006); (Hamidi, Nikraz, & Varaksin, 2009); (Mohammed et al., 2010);. Peralatan penumbuk Rapid Impact Compaction ditautkankan ke hydraulic excavator sebagai perangkat penopang mekanik yang dapat mengatur frekuensi tumbukan antara 40-60 /menit sebagai ciri metode rapid compaction. (Falkner, et.al, 2010); (Adam, et.al, 2011); (Tarawneh & Matraji, 2014).
Parameter energi pemadatan metode, RIC ditentukan oleh berat penumbuk (Compactor); berat dan luas geometri landasan penumbuk (anvil); frekuensi tumbukan dan kumulatif total tumbukan dalam satu siklus pemadatan pada titik tumbukan yang sama. Namun energi pemadatan difokuskan pada besarnya berat penumbuk dan jumlah tumbukan. Hal ini sejalan dengan hasil penelitian (Koohsari, 2016) bahwa pada metode impact compaction efek dari berat penumbuk lebih signifikan dibandingkan dengan ketinggian jatuh penumbuk. Efek dari peningkatan berat penumbuk pada impact compaction terhadap kedalaman dapat dijelaskan dengan efek peningkatan momentum pada efisiensi energi yang ditransferkan ke lapisan tanah. Penelitian tesebut juga sejalan dengan yang telah dilaporkan sebelumnya oleh (Ghanbari & Hamidi, 2014) dimana estimasi pengaruh jarak pemadatan arah radial ditentukan oleh energi pemadatan dan suatu nilai kofisien faktor penyesuaian.
a b c d
Gambar 1. Perangkat utama RIC, a. Anvil landasan penumbuk; b. Compactor-Hammer; c. Rig Compactor; d.
Perangkat mekanik (diesekogroup.com, 2017).
Untuk mensimulasikan pola pembebanan dinamis Rapid Impact Compaction dapat dipandang sebagai beban siklik satu arah yaitu beban berulang satu arah (tidak bolak-balik) sebagaimana penelitian yang telah dilakukan oleh (Yin, et.al, 2013) dimana melakukan pengamatan terhadap perilaku tanah berlempung dibawah pembebanan siklik.
Tumbukan menimbulkan gelombang permukaan dan gelombang badan berupa gelombang geser dan gelombang tekan yang dijalarkan pada lapisan tanah, pada tanah tidak jenuh air gelombang yang dipancarkan dari hasil tumbukan menggeser dan mengatur ulang konfigurasi tanah ke kondisi yang lebih padat, sementara pada tanah jenuh air efek gelombang akan mengakibatkan keluarnya air dari pori tanah dan megatur ulang posisi butiran pada kondisi yang lebih padat. Baik pada tanah tidak jenuh maupun jenuh air efek pemadatan akan mengakibatkan berkurangnya pori dan meningkatkan gesekan dalam antar butir yang secara langsung akan meningkatkan sifat mekanis tanah, sementara efek berkurangnya pori ditandai dengan turunnya permukaan tanah (Hamidi et al., 2009).
Pada metode pemadatan Rapid Impact Compaction, penumbuk dijatuhkan pada alas penumbuk yang ditempatkan diatas permukaan tanah secara tetap, dalam hal ini besarnya kecepatan sebelum dan setelah terjadi tumbukan menurut ((Falkner et al., 2010) yang diturunkan dari persamaan momentum dapat dihitung dengan persamaan [1;2]
sebagai:
(1) (2) dalam hal ini h = tinggi jatuh,m
WH = berat penumbuk, kg WF = Berat alas penumbuk,kg g = grafitasi, m/det2
VH = Kecepatan penumbuk pada saat terjadi tumbukan,m/det
VF = Kecepatan pelat alas penumbuk dan penumbuk sesaat setelah terjadi tumbukan, m/det g = percepatan graivitasi; m/det2
Berdasarkan perumusan kecepatan tumbukan oleh (Falkner et al., 2010), maka energi tumbukan bersama antara pelat penumbuk dan alas penumbuk jika dihitung dari persamaan dasar energi kinetik dan momentum, dapat dihitung dengan persamaan (3) sebagai:
(3)
dalam hal ini h = tinggi jatuh,m
Eb = Energi Pertumbukan, kN.m (Joule) WH = Berat Penumbuk, kg
WF = Berat Alas Penumbuk,kg
VF = Kecepatan Pelat Alas Peumbuk sesaat setelah terjadi tumbukan, m/det.
analog dengan besarnya energi pemadatan menurut (Lukas, 1992) pada metode dynamic compactioan, maka total energi E tumbukan per luas bidang kontak alas penumbuk (kJ/m2), dihitung dengan persamaan (4) sebagai:
(4) dalam hal ini E adalah
kumulatif total energi yang dikenakan kN.m (kJ), A adalah luas bidang tumbuk dari alas penumbuk (m2), dan N adalah jumlah tumbukan. Merujuk pada persamaan (1) dan (2) maka dapat dirumuskan besarnya momentum dan gaya impuls yang terjadi sesuai persamaan (5) dan (6) (Mostafa, 2010) sebagai:
(5)
(6)
dalam hal ini:
m.v = momentum
mH = Berat massa penumbuk, (kg.det2/m) mF = Berat massa alas penumbuk, (kg.det2/m)
VH = Kecepatan penumbuk pada saat terjadi tumbukan,m/det
VF = Kecepatan pelat alas penumbuk sesaat setelah terjadi tumbukan, m/det
v = Perubahan kecepatan, m/det
t = Rentang waktu perlambatan tumbukan, det
= Gaya tumbukan, kg
adapun besarnya gaya dinamis maksimum yang yang diteruskan dipermukaan tanah dapat dianalogikan dengan perumusan gaya dinamis maksimum menurut Wayne pada dynamic compaction, (Mostafa, 2010) yaitu besarnya gaya dinamis maksimum yang bekerja pada sistem rapid impact compaction adalah:
(7)
selanjutnya hasil penurunan persamaan dengan analogi pada persamaan (7) menggunakan nilai pada persamaan (1) dan (2) didapatkan persamaan (8) untuk rapid impact compaction yang terdiri dari berat penumbuh WH dan berat alas peumbuk WF berjari-jari ro sebagai berikut:
(8) dalam hal ini :
WH = Berat Penumbuk, kg WF = Berat Alas Penumbuk,kg h = Tinggi jatuh,m
G = Modulus geser tanah, kg/m2 ro = Jari-jari alas penumbuk v = poisson ratio
Pemodelan beban impak dinamis menjadi salah satu bagian yang krusial. Penelitian ini memfokuskan pada metode yang umum digunakan untuk mensimulasikasn beban impact adalah riwayat waktu impact terhadap beban setengah sinus yang digunakan oleh (Pan & Selby, 2002) dimana waktu impak disimulasikan 0,05 detik, untuk time rate tumbukan ditentukan oleh disain jumlah tumbukan persatuan waktu sehingga untuk aplikasi pada model uji yang berdasarkan kecepatan tumbukan massa penumbuk terhadap tanah sebagaimana dirumuskan oleh (Wang et al., 2017) dan diuraikan secara jelas sebelumnya oleh Falkner (Falkner et al., 2010) sesuai persamaan (1) dan(2).
Gambar 3. Hubungan waktu-beban impact, (Pan & Selby, 2002) 3. RANCANGAN ALAT PENGUJIAN
Model uji eksperimental skala laboratorium dalam rancangan penelitian ini mengikuti sistem pembebanan dinamis dengan mekanisme kerja sebagai beban impak berulang yang ditunjukkan secara skematik pada Gambar 1.
Gambar 4. Disain skematik elektro-air pneumatik pressure Impact Compaction skala laboratorium
Sesuai Gambar 4. rancangan alat tersebut terdiri atas dua kelompok komponen utama yaitu unit mekanis pemadatan dan sistem kontrol yang masing-masing dapat diuraikan sebagai berikut: