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
2014
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 Wicaksono
1, Kukuh Prasetyo P.U
2
1Dosen Jurusan Teknik Pengairan
2Mahasiswa Jurusan Teknik Pengairan
email : [email protected]
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 dengan 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
Lokasi studi
(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 dengan pendekatan 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
Point Parameter Batuan/Tanah
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 Pwh2 Batuan 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 HorizontalTanah 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
Sumber:Perhitungan
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
Tapal Kuda Lingkaran
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