Laterally Loaded Piles: Efficiency Factor vs Reduction Factor

Dukung Izin Lateral Tiang Tunggal Untuk Gempa Rencana dan Gempa Besar

Fondasi tiang pada bangunan harus didesain mampu menahan beban lateral yang ditimbulkan  oleh beban “gempa rencana “ dengan baik, dalam arti setelah beban lateral tidak bekerja lagi, tiang dapat kembali ke posisinya semula (tiang masih berada pada daerah elastic) . Dengan demikian, defleksi izin pada kepala tiang harus dibatasi hanya kecil saja, dan daya dukung izin lateral tiang tunggal adalah gaya lateral yang koresponding dengan defleksi pada kepala tiang sebesar ¼ “ atau 6 mm, dengan kondisi kepala tiang “fixed head”. Peraturan Dinas P2B No 50 th 2007 bahkan memakai batasan defleksi izin yang sedikit lebih ketat, yaitu 10 mm untuk kondisi  kepala tiang “free head”, atau kira-kira setara dengan defleksi izin 5 mm untuk kondisi “fixed head”. Daya dukung lateral izin ini masih jauh dibawah nilai “yield capacity” nya, apalagi “ultimate capacity” nya.

Selain “gempa rencana”, bangunan juga harus diperhitungkan terhadap “gempa besar”, dimana pada “gempa besar”,  balok boleh mengalami “yield”, kolom harus  lebih kuat dari balok, dan fondasi harus lebih kuat lagi dari kolom. Berarti pada waktu beban “gempa besar”, fondasi tidak boleh failure, atau gaya yang bekerja pada fondasi harus lebih kecil dari daya dukung ultimate tiang. Penulis biasa memakai  “threshold limit” sedikit dibawah “Yield Capacity” dari tiang (“Yield Capacity” / 1.1). Yield Capacity dengan mudah bisa ditentukan dari kurva load vs deflection. Cara lain adalah menentukan defleksi izin untuk gempa besar yang besarnya ditentukan sedemikian sehingga ujung bawah tiang masih terjepit dan tidak terjadi sendi palstis pada tiang.

Faktor Reduksi Tahanan Tanah NAFAC DM-71 dan Reese et al.

Dalam mendukung beban bangunan tiang fondasi tidak merupakan tiang tunggal, tetapi merupakan kumpulan dari satu atau beberapa group tiang. Qa _(group)Daya dukung lateral group tiang yang terdiri dari n buah tiang Q _(group) =   n x Q _{(single ,reduced)} dimana Q _{(single ,reduced)}  adalah daya dukung tiang tunggal yang telah memperhitungkan  efek group. Untuk memperhitungkan pengaruh group tiang terhadap lateral capacity tiang tunggal, maka tahanan tanah yang digunakan , baik tahanan tanah itu berupa “Subgrade Modulus” maupun berupa “p-y Curves”, harus diperlemah dengan mengalikannya dengan Faktor Reduksi yang   nilainya <= 1. Faktor Reduksi ini berbeda dengan Faktor Efisiensi, dimana Faktor Reduksi selalu <= FaktorEfisiensi  (lihat Gbr-4).

Faktor Reduksi yang paling sederhana dan konservatif diberikan oleh NAFAC DM-71, dimana Faktor Reduksi ini semata-mata hanya merupakan fungsi dari pile spacing / pile diameter (s/d).  Faktor Reduksi ini berubah secara linear  antara  0.25 untuk s/d= 3  sampai nilai tertinggi yaitu 1 untuk s/d = 8.

Faktor Reduksi yang lebih akurat diberikan oleh Reese et al berdasarkan full scale test pada sejumlah tiang, dimana menurut Reese et al Faktor Reduksi ini dipengaruhi oleh:

–          ratio s/d                                                                                                                                     –        arah gaya lateral yang bekerja                                                                                              –         kedudukan tiang yang ditinjau  terhadap tiang-tiang disekitarnya

sehingga ada “Side by Side Reduction Factor” dan “Line by Line Reduction Factor” seperti diilustrasikan pada Gbr-1.

Gbr-1

Reese et al juga membedakan piling layout sebagai “SquarePattern” dan “Triangular Pattern” seperti ditunjukkan pada Gbr-2. Dengan menggunakan rumus-rumus empiris, dihitung Faktor Reduksi untuk masing-masing tiang dengan memperhitungkan pengaruh tiang-tiang disekitarnya.

Gbr-2

Faktor Reduksi yang dipakai untuk suatu pile group adalah nilai rata-rata dari Faktor Reduksi untuk masing-masing tiang  di group tersebut. Untuk suatu pile group yang besar, Faktor Reduksi terkecil adalah untuk tiang-tiang yang terletak didaerah tengah, atau dengan kata lain, tiang-tiang yang terletak didaerah tengah mempunyai lateral capacity minimum. Dalam desain, lateral capacity group tiang sama dengan jumlah tiang dikalikan dengan lateral capacity minimum single pile. Gbr-3 menyajikan Faktor Reduksi untuk berbagai nilai s/d, baik untuk “square pattern” maupun “triangular pattern”.

Gbr-3

Dari plotting tersebut terlihat bahwa, “Square Pattern selalu menghasilkan Faktor Reduksi yang lebih besar dari Triangular Pattern untuk nilai s/d yang sama, artinya tahanan tanah pada Square Pattern lebih optimal dimanfaatkan dalam menahan beban lateral. Artinya pile group dengan Square Pattern akan memberikan daya dukung lateral lebih besar dibandingkan dengan pile group dengan Triangular Pattern, bila s/d   nya sama. Pada Gbr-3 tersebut juga ditampilkan plotting Faktor Reduksi vs s/d menurut NAFAC DM-71. Rangkuman lengkap Metoda Reese et al dapat dilihat pada manual program GROUP 3D ver 7 yang dikembangkan oleh Ensof,,Inc, Austin, Texas, USA.

                                   

Faktor Efisiensi

Tidak ada Code, Standard maupun formula-formula untuk menghitung Faktor Efisiensi untuk suatu pile group yang menahan beban lateral.  Yang ada adalah  cara menghitung “Faktor Reduksi” tahanan tanah untuk memperhitungkan efek group pada daya dukung lateral tiang tunggal, seperti diuraikan diatas. Jadi Faktor Efisiensi harus ihitung sendiri setelah mendapatkan  daya dukung group, sebagai berikut:

Faktor Efisiensi     = Q _{(group) /}   n x Q _{(single )}     =  n x  Q _{(single ,reduced)   /}     n x Q _{(single )}      

                                                                 =   Q _{(single ,reduced)   /}   Q _{(single )}

dimana :                                                                                                                                              Q _(group)                       =   daya dukung lateral  group  tiang                                                                                n               =   Jumlah tiang dalam group                                                                                        Q   _{(single )}            =  daya dukung lateral tiang tunggal                                                                      Q _{(single, reduced)}   =  daya dukung lateral tiang tunggal yang telah memperhitungkan efek                                          group.

Dengan menggunakan formula tersebut diatas, Faktor Efisiensi untuk berbagai group tiang dihitung, baik untuk group tiang pancang maupun group tiang bor dengan berbagai ukuran. Lokasi group tiang juga bervariasi mencakup sebagian besar wilayah DKI Jakarta, dan mencakup dua wilayah Jakarta dengan kondisi tanah yang ekstreem berbeda, yaitu wilayah  Jakarta Utara dengan tanahnya yang lunak, dan wilayah Jakarta Selatan.  Faktor Efisiensi ini diplot terhadap Faktor Reduksi tahanan tanah, sehingga dengan mengetahui Faktor Reduksi, bisa ditentukan Faktor Efisiensi group tiang, seperti disajikan pada Gbr-4.

Gbr-4

Plotting ini juga sudah meliputi “square pattern” dan “triangular pattern”, sehingga dapat dikatakan  bahwa korelasi ini bersifat umum. Ternyata, baik untuk Square Pattern maupun Triangular Pattern, bila Faktor Reduksinya sama, maka akan menghasilkan Faktor Efisiensi yang sama. Tetapi perlu diingat plotting pada Gbr-3, dimana untuk menghasilkan Faktor Reduksi yang sama, s/d pada Triangular Pattern harus lebih besar dari s/d pada Square Pattern. Jadi bila diameter tiang sama, maka untuk mendapatkan tahanan lateral yang sama maka spacing antar tiang pada Triangular Pattern harus lebih besar dari spacing antar tiang pada Square Pattern. Demikian juga kondisi tanah, apakah lunak, sedang atau keras, tidak menentukan Faktor Reduksi tanahan tanah dan Faktor Efisiensi. Yang terpengaruh dengan kondisi tanah adalah daya dukung lateral tiang tunggal.

–ooOOoo–