Desain Fondasi Jetty

1. BACKGROUND                                                                                                                   Untuk menunjang operasi loading – unloading CPO dan CPKO, maka akan dibangun sebuah dermaga baru di salah satu muara sungai di Kalimantan Timur, untuk suatu saat menggantikan dermaga existing yang terbuat dari kayu, yang kapasitasnya sudah tidak mencukupi kebutuhan. Pembangunan dermaga baru ini akan dilaksanakan dalam 2 tahap, dimana setelah tahap-1 selesai, maka dermaga existing akan tetap beroperasi bersama-sama dengan dermaga baru tahap-1. Dermaga baru tahap-2 akan dibangun kemudian, dimana dermaga existing akan berhenti beroperasi dan dibongkar setelah dermaga baru tahap-2 selesai. Rencana operasi keseluruhan dermaga ini menentukan pembagian tahap-1 dan tahap-2 dari dermaga baru, serta posisi jetty head.Jadi selain geotechnical engineers, yang berperan penting didalam pekerjaan ini adalah seseorang yang menguasai dengan detail operasi suatu dermaga, termasuk peralatan-peralatan pada dermaga. Uraian berikut menjelaskan mengenai perencanaan fondasi untuk Breasting dolphin, Jetty Head dan Trestle.

2. JETTY LAYOUT
Ukuran kapal yang akan bersandar pada dermaga ini sangat bervariasi, dari kapal yang terkecil dengan panjang 34 m s/d kapal terbesar dengan panjang 92 m. Sesuai permintaan owner bahwa baik kapal kecil maupun kapal besar harus dapat bersandar pada sembarang tempat sepanjang dermaga, maka jarak antara breasting dolphin ditentukan berdasarkan panjang kapal yang terkecil, sehingga jarak antara breasting dolphin yang digunakan adalah 9 m ~ 12 m, akan tetapi gaya tumbukan kapal terbesar yang digunakan untuk mendesain fondasi breasting dolphin. Simulasi berbagai kemungkinan bersandarnya kapal dari berbagai ukuran perlu dilakukan untuk menentukan posisi eksak beberapa tipe breasting dolphin yang digunakan, seperti diilustrasikan pada Gbr.-1.

Gbr.-1: Jetty Layout

Rencana jetty terdiri dari 16 Breasting Dolphin (B1 ~ B16), 2 Mooring Dolphin (MD1 dan MD2), Jetty Head dan Trestle. Breasting dolphin didesain untuk kapal tipe Barge 300ft dengan kapasitas 5000 DWT. Kapal tipe Barge 300ft ini sebenarnya berkapasitas 7500 DWT dengan draft = 4.8 m, tetapi karena elevasi river bed di -4.2 m LWS maka draft available hanya 3.2m. Jadi kapasitas kapal dibatasi 5000 DWT saja. Khusus untuk breasting dolphin B13 dan B14, kedua sisinya akan digunakan untuk bersandar kapal; pada sisi sungai untuk bersandar kapal 5000 DWT dan pada sisi darat untuk bersandar tugboat (lihat Gbr-1). Tidak ada data untuk tugboat sehingga dengan persetujuan owner, data yang digunakan dalam analisa adalah data kapal terkecil (750 DWT).

Pada Jetty Head terdapat 3 buah breasting dolphin, tetapi sistem struktur Jetty Head dan breasting dolphin terpisah, dengan jarak tertentu untuk mengantisipasi defleksi breasting dolphin akibat tumbukan kapal. Jadi Jetty head tidak perlu didesain untuk menahan beban tumbukan kapal.

3. DATA YANG DIGUNAKAN DALAM DESAIN
3.1. Data Pasang Surut
Elevasi pasang surut yang digunakan dalam desain adalah sebagai berikut :
– HWS = + 2.5 m
– LWS = + 0.0 m

Elevasi Dolphin dan Jetty Deck
Elevasi deck dari dolphin dan jetty tergantung pada water depth dan tidal range seperti uraian berikut:
Water depth 4.2 m < 4.5 m )
Tidal range 2.5 m  < 3m       ) –> Elevasi deck menurut standard Jepang =                                                                                         HWS + (0.5 ~ 1.5 m)  =  +2.5 + (0.5 ~ 1.5)   =                                                                                     +3.0 m ~ + 4.0 m                                     

Elevasi deck diambil pada +4.0m

3.2. Data Tanah                                                                                                                          Profil tanah serta plot  “N_SPT vs  Kedalaman” disajikan pada Gbr. 2. Parameter tanah yang digunakan dalam desain juga disajikan pada Gbr.-2. River bed (permukaan tanah) terletak pada -4.2 m LWS.

Gbr.2: Profil Tanah dan Parameter Tanah

3.3. Data Kapal                                                                                                                    Disetiap tempat dari dermaga baru harus dapat digunakan untuk bersandarnya semua ukuran kapal yang biasa bersandar. Oleh karena itu setiap dolphin harus didesain untuk bersandarnya kapal terbesar, yaitu kapal 5000 DWT, kecuali sisi dalam dolphin B13 dan B14, yang hanya didesain untuk bersandarnya kapal terkecil, yaitu kapal 750 DWT.  Data-data dari kapal 5000 DWT dan 750 DWT adalah seperti Tabel-1 berikut :

 

4.   DESAIN FONDASI BREASTING DOLPHIN                                                             4.1. Sistem Fondasi Breasting Dolphin

Sistem fondasi breasting dolphin terdiri dari kelompok tiang-tiang baja (group of steel pipe pile) yang diikat dengan pile cap beton pada bagian atas. Steel pipe pile yang digunakan terdiri dari tiang tegak dan tiang miring.

Dimensi serta mutu steel pipe pile yang digunakan adalah :

–         Outer Diameter (OD)    = 812 mm                                                                                        –         Thickness (t)                  = 16 mm                                                                                            –        Mutu baja : BJ 37, fy =  2400 kg/cm² 

4.2. Tipe Breasting Dolphin                                                                                             Berdasarkan tipe kapal yang akan bersandar dan peralatan yang akan ada pada deck dolphin maka ke enam belas breasting dolphin dikelompokkan kedalam 4 tipe tergantung dari luas deck yang dibutuhkan, seperti dirangkumkan  pada Tabel-2.

Perlu dicatat bahwa kebutuhan luas pile cap untuk kebutuhan fondasi dari keseluruhan dolphin, kecuali dolphin B13 dan B14,  sebenarnya hanya 4m x 4m, oleh karena itu untuk memenuhi kebutuhan deck area untuk peralatan,  dipenuhi dengan menambahkan cantilever beam + concrete deck dengan panjang 1 m untuk Tipe-2 dan 2.5 m untuk Tipe-3.  Sketsa denah fondasi serta potongan untuk masing-masing tipe breasting dolphin disajikan pada Gbr.-3.1 dan 3.2.

 Gbr.3.1.: Denah dan Potongan  Breasting Dolphin, (A) Tipe-1 dan (B) Tipe-2                                                                                                                                                                                          

Gbr.3.2.: Denah dan Potongan  Breasting Dolphin, (C) Tipe-3 dan (D) Tipe-4                                                            

4.3. Beban-Beban Yang Bekerja Pada Breasting Dolphin                                   Beban-beban yang bekerja pada breasting dolphin terdiri dari ;                                               a. Beban Vertikal (DL dan LL)                                                                                                                   DL terdiri dari : berat sendiri breasting dolphin, berat fender, berat bolard, berat pipe rack, berat pompa, berat catwalk.                                                                                                  

• b. Beban Tumbukan Kapal (Berthing Load)

 Berthing energy dihitung dengan menggunaka formula sbb :

dimana :                                                                                                                                               E    = Berthing load  ( ton-m )                                                                                                          w₁  = Displacement tonnage ( ton )                                                                                                  v    = Berthing speed ( m/s ) = 0.15 m/s                                                                                         g    = Gravity acceleration = 9.8 m/ s²                                                                                                                                                                                             Ce = Eccentricity factor                                                                                                                 Cm= Virtual mass factor                                                                                                                  Cs  = Softness factor                                                                                                                            Cc  = Berth Configuration coefficient

Dari besarnya berthing load, ditentukan fender yang dipakai, dan masing-masing tipe fender memberikan  gaya lateral pada dolphin seperti dibawah ini.

Untuk kapal 5000 DWT —  Berthing load= 9.77 ton-m                                                                 Dipakai Fender Bridgestone Tipe FV005-4-2 dengan kemampuan menyerap energy  sebesar 10 ton-m. Reaction force/Gaya lateral = 75 ton

Untuk kapal 750 DWT –> Berthing load = 2.51 ton-m
Dipakai Fender Bridgestone Tipe FV005-4-4 dengan kemampuan menyerap energy sebesar 5 ton-m. Reaction force/Gaya lateral = 38 ton

c. Beban Mooring
Untuk kapal 5000 DWT — Gaya bollard = 350 kN (horizontal)
Untuk kapal 750 DWT    — Gaya bollard = 150 kN (horizontal)

Untuk desain, perlu dimasukkan gaya bollard arah vertical sebesar 50% gaya bollard horizontal.

d. Beban Environmental
– Beban Arus (Current Load) pada Kapal
– Beban Arus (Current Load) pada Pile                                                                                                                                     dimana kecepatan arus = 1.5 m/sec.

Current load baik pada kapal maupun pada tiang dihitung dengan rumus berikut:

dimana:                                                                                                                                                R = Gaya horizontal akibat arus:    Utk kapal, pada luas basah kapal arah tegak lurus  arus;   Utk pile, pada penampang basah tiang dalam arah tegak lurus arus.                              p = Water mass density                                                                                                                     C = Constant:  Utk kapal = Coefficient of Fluid Pressure, tergantung perbandingan water depth  dan  draft kapal. Utk pile = Drag Force Coefficient, tergantung pada bentuk pile: circular tergantung Reynold Number dan surface roughness, non circular tergantung angle of incident.                                                                                                                                           V = Kecepatan arus.                                                                                                                         As = Luas basah penampang kapal atau tiang yang tegak lurus arah arus.

e. Beban Gempa
Gempa statik ekivalen dihitung dengan rumus sbb:

dimana:                                                                                                                                                    Vi = Gaya gempa static ekivalen                                                                                                    C1 = koefisien gempa tergantung wilayah gempa                                                                               I = Faktor keutamaan                                                                                                                         R = Faktor reduksi                                                                                                                              Wt = Total DL.

Rangkuman data beban pada breasting dolphin disajikan pada Tabel-3.

Kombinasi beban yang digunakan dalam analisa breasting dolphin adalah sebagai berikut :

♦ Untuk Breasting Dolphin Tipe-1, Tipe-2, dan Tipe-3
Load combination 1 = DL + LL + B + CP
Load combination 2 = DL + LL + M + C + CP
Load combination 3 = DL + LL + M + C + CP ± Ex ± 0.3 Ey
Load combination 4 = DL + LL + M + C + CP ± 0.3 Ex ± Ey
Load combination 5 = DL + LL + CP ± Ex ± 0.3 Ey
Load combination 6 = DL + LL + CP ± 0.3 Ex ± Ey

♦ Untuk Breasting Dolphin Tipe-4
Load combination 1a = DL + LL + B(5000DWT) + CP
Load combination 1b = DL + LL + B(750DWT) + CP
Load combination 1c = DL + LL + B(5000DWT) + CP + M(750DWT) + C(750DWT)
Load combination 1d = DL + LL + B(750DWT) + CP + M (5000DWT) + C(5000DWT)
Load combination 2a = DL + LL + M(5000DWT) + C(5000DWT) + CP
Load combination 2b = DL + LL + M(750DWT) + C(750DWT) + CP
Load combination 3 = DL + LL + M(5000DWT) + C(5000DWT) + CP ± Ex ± 0.3Ey
Load combination 4 = DL + LL + M(5000DWT) + C(5000DWT) + CP ± 0.3 Ex ± 1.0 Ey
Load combination 5 = DL + LL + CP ± Ex ± 0.3 Ey
Load combination 6 = DL + LL + CP ± 0.3 Ex ± Ey

dimana :
DL = Dead Load
LL = Live Load
B = Beban Tumbukan Kapal (Berthing Load)
M = Beban Mooring
C = Beban Arus (Current Load) pada Kapal
CP = Beban Arus (Current Load) pada Pile
Ex, Ey = Beban Gempa arah X dan Y

4.4. Daya Dukung Tiang
Untuk mengecheck reaksi tiang hasil analisa GROUP, perlu diketahui daya dukung tarik dan tekan dari fondasi tiang. Hasil perhitungan daya dukung tiang   disajikan pada Tabel-4.

4.5. ANALISA BREASTING DOLPHIN
a. Metoda Analisa
Analisa breasting dolphin yang dibebani gaya-gaya seperti diuraikan diatas, dilakukan menggunakan program GROUP 3D dari Ensoft, USA. Penggunaan program ini dipercaya akan memberikan analisa dengan lebih akurat, dibandingkan jika menggunakan program SAP yang biasa digunakan perencana dermaga dengan background structural engineering. Alasannya adalah karena GROUP 3D mempunyai kemampuan yang lebih baik untuk memodel tahanan tanah.  Gaya-gaya yang bekerja pada suatu dolphin, meliputi gaya aksial, gaya lateral, dan momen dipindahkan dulu ketitik beratnya, baru dilakukan analisa.
Pemodelan konfigurasi tiang yang digunakan dalam analisa dengan program GROUP 3D disajikan pada Gbr.-4.1 untuk breasting dolphin Tipe-1, Tipe-2, and Tipe-3; dan pada Gbr.-4.2 untuk breasting dolphin Tipe-4.

(a) Bird’s View                                                            (b) Side View

Gbr-4.1: Pemodelan Konfigurasi Tiang pada Analisa dengan Program  GROUP 3D  Untuk Breasting Dolphin Tipe-1, Tipe-2, and Tipe-3

                               (a) Bird’s View                                                            (b) Side View

Figure-4.2 : Pemodelan Konfigurasi Tiang pada Analisa dengan Program GROUP 3D  Untuk Breasting Dolphin Tipe-4

b. Hasil Analisa
Rangkuman reaksi tiang maksimum dan stress tiang maksimum disajikan pada Tabel- 5.1 s/d 5.4.  Dari hasil analisa pada semua tipe Breasting Dolphin pada Tabel 5.1 s/d 5.4 dapat disimpulkan sbb:                                                                                                                                 – Reaksi tiang maksimum tekan = 1080 kN ≤ Qa tekan = 2900 kN — ok                                – Reaksi tiang maksimum tarik = 639 kN ≤ Qa tarik = 1300 kN — ok

– Check Stress Pada Tiang
Mutu Baja BJ37 — Yield stress (fy) = 2400 kg/cm2, dan Allowable stress = 1600 kg/cm2
Dari hasil analisa, maksimum stress pada tiang = 1480 kg/cm2 ≤ Allowable stress = 1600 kg/cm2 — ok.  Contoh pile stress contour disajikan pada Gbr.- 5. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa stress maksimum terjadi pada kepala tiang.

Note : Unit Stress in kPa

Gbr-5 :  Pile Stress Contour – Breasting Dolphin Tipe-3  – Load Comb. 3

5. DESAIN FONDASI JETTY HEAD DAN TRESTLE
5.1. Sistem Fondasi Jetty Head Dan Trestle
Sistem fondasi Jetty Head dan Trestle menggunakan steel pipe pile, dan terdiri dari tiang tegak dan tiang miring. Pada awalnya fondasi yang digunakan tegak semua, tetapi defleksi yang terjadi akibat kombinasi beban gempa relatif besar sehingga digunakan kombinasi tiang tegak dan tiang miring . Trial and error dilakukan untuk menentukan posisi tiang-tiang miring sehingga tidak saling bertabrakan dan efektif menahan gaya lateral arah x dan y yang kurang lebih sama besar.

Dimensi serta mutu steel pipe pile yang digunakan adalah :
– Outer diameter (OD) = 609 mm
– Thickness (t) = 16 mm
– Steel Grade: BJ 37 — fy = 2400 kg/cm2

Denah fondasi Jetty Head danTrestle  disajikan pada Gbr.  6

Gbr-6: Denah Fondasi Jetty Head dan Trestle

5.2. Beban-Beban Yang Bekerja Pada Jetty Head Dan Trestle
Beban-beban yang bekerja pada Jetty Head dan Trestle terdiri dari ;
a. Beban DL dan LL
b. Berat Pipa dan Minyak
c. Beban Mobile Crane dan Truck                                                                                                    d. Beban Gempa

5.3. Daya Dukung Tiang
Rangkuman daya dukung tiang untuk Jetty Head dan Trestle disajikan pada Tabel-6.

5.4. Hasil Analisa Jetty Head Dan Trestle
Analisa breasting dolphin dilakukan menggunakan program GROUP 3D dari Ensoft, USA.
Rangkuman hasil analisa adalah sbb :
– Jetty Head
Reaksi tiang maksimum tekan = 1330 kN ≤ Qa tekan = 1900 kN — ok
Pile Stress maksimum = 716 kg/cm2 ≤ Allowable stress = 1600 kg/cm2 — ok

– Trestle
Reaksi tiang maksimum tekan = 1600 kN ≤ Qa tekan = 1900 kN — ok                                 Pile Stress maksimum = 1580 kg/cm2 ≤ Allowable stress = 1600 kg/cm2 — ok

6. PENUTUP                                                                                                                                Dari desain seperti pekerjaan desain ini  beberapa hal dapat dilakukan untuk penghematan:
a. Pembagian dermaga atas zona-zona yang membatasi ukuran kapal yang diperbolehkan bersandar pada suatu zona memungkinkan dilakukannya desain breasting dolphin yang lebih efisient. Untuk kapal besar, fondasi dolphin lebih kuat, tetapi jarak dolphin bisa lebih jauh.  Sebaliknya untuk kapal kecil, sekalipun diperlukan jarak dolphin yang lebih dekat, tetapi tidak diperlukan fondasi yang kuat karena berthing load yang kecil.  Sekalipun demikian, pembagian dermaga atas zona2 ini akan merepotkan pada waktu operasi dermaga.

b. Hasil analisa menunjukkan bahwa tegangan yang tinggi hanya terjadi pada daerah sekitar kepala tiang (pada proyek ini sekitar 2m teratas dari panjang tiang), sebagai akibat bekerjanya gaya lateral dan momen pada tiang dengan free cantilever yang relatif besar (free cantilever ini bertambah besar karena tanah lapisan atas yang lunak). Pada sebagian besar panjang tiang, tegangan yang timbul relatif rendah. Dengan demikian dimensi tiang dapat diperkecil mengikuti kebutuhan sebagian besar panjang tiang dan memperkuat bagian atas tiang. Diantaranya dengan memakai double steel pipe yang konsentrik pada bagian atas tiang.

c. Terakhir, analisa akan lebih akurat bila memakai program komputer yang dapat memodel tahanan tanah dengan lebih akurat dibandingkan program struktur. Program struktur umumnya memodel tahanan lateral tanah dengan spring satu arah, tidak bisa bolak balik. Selain itu perlu asumsi lokasi perletakan jepit pada suatu kedalaman tiang.

–ooOOoo–