negative skin friction
DESCRIPTION
Negative Skin FrictionTRANSCRIPT
MODUL 10
GESEKAN KULIT NEGATIVE
(NEGATIVE SKIN FRICTION)
Rekayasa Pondasi IIDr. Ir.Pintor T Simatupang MT.Eng
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘11 1
Modul 10
DAFTAR ISI
Bab 1 Pengantar..................................................................................................1
1.1. Umum.............................................................................................1
1.2. Tujuan Instruksional Umum............................................................1
1.3. Tujuan Instruksional Khusus..........................................................1
Bab 2 Gesekan Kulit Negative..........................................................................2
2.1. Umum.............................................................................................2
2.2. Mekanisme Gesekan Kulit Negative...............................................2
2.3. Metode Das....................................................................................4
2.3.1. Lempung Menutupi Lapisan Granular.........................................4
2.3.2. Tanah granular menutupi lapisan lempung.................................4
2.4. Metode Prakash & Sharma............................................................6
2.5. Pendekatan Negative Skin Friction (NSF) Berdasarkan Undrained
Strength (Undrained Analysis)..................................................................7
2.6. Pendekatan Negative Skin Friction (NSF) Berdasarkan Effective
Stress (Drained Analysis)..........................................................................8
2.7. Kapasitas Ijin Pada Tiang dengan NSF..........................................9
2.8. Negatife Skin Friction dan Settlement............................................9
2.9. Lapisan Bitumen...........................................................................11
i
Modul 10
Bab 1 Pengantar
1.1. Umum
Tiang yang menerima beban vertikal, biasanya akan mendapat perlawanan dari tanah
berupa gesekan kulit yang arahnya berlawanan (ke atas) dengan pembebanan vertikal.
Namun pada kondisi tertentu, terutama karena tanah lunak (soft soil), tiang tidak hanya
menerima gesekan kulit ke atas (positive) tapi juga akan menyeret (downdrag) tiang ke
bawah (negative). Meskipun ujung tiang pada umumnya diletakkan pada lapisan tanah
keras, sehingga gesekan kulit negative yang kecil mungkin tidak mempengaruhi daya
dukung ujung tiang. Namun untuk gesekan kulit yang cukup besar bisa mengakibatkan
daya dukung tiang (dari sudut kemampuan tiang itu sendiri) tidak mampu memikul
tambahan beban negative ini, sehingga membuat tiang tersebut menjadi patah.
Gesekan kulit negative terjadi karena tanah lunak mengalami penurunan, sehingga
menyeret tiang dalam gerakan penurunan tersebut. Agar gerakan menyeret ini tidak
menimbulkan beban tambahan pada tiang, maka tiang sebelum dimasukkan ke dalam
tanah dapat terlebih dahulu dilumuri dengan aspal dan lain-lain, untuk melicinkan kulit.
1.2. Tujuan Instruksional Umum
Setelah menyelesaikan modul ini diharapkan mahasiswa mampu menghitung tambahan
beban pada tiang akibat gerakan menyeret dari gesekan kulit negative.
1.3. Tujuan Instruksional Khusus
Setelah menyelesaikan modul ini mahasiswa diharapkan dapat memenuhi hal-hal berikut.
1. Mahasiswa memahami konsep gesekan kulit negative yang bekerja pada tiang.
2. Mahasiswa mampu menghitung besarnya beban tambahan akibat gesekan kulit
negative yang kemudian dijumlahkan dengan gesekan kulit positive untuk seterusnya
memperkirakan daya dukung tiang.
3. Mahasiswa mampu mempertimbangkan kondisi tanah dimana gesekan kulit
negative akan mempengaruhi stabilitas pondasi tiang.
4. Mahasiswa mampu menunjukkan metode untuk mengeliminir beban tambahan
akibat gesekan kulit negative.
Rekayasa Pondasi IIDr. Ir.Pintor T Simatupang MT.Eng
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘11 1
Modul 10
Bab 2 Gesekan Kulit Negative
2.1. Umum
Secara tradisional, perencanaan pondasi tiang mencakup daya dukung baik sebagai end
bearing pile maupun friction pile dan penurunan (settlement). Namun dalam kondisi
tertentu, disamping standard perencanaan tiang yang harus dituruti, terdapat hal-hal lain
yang juga harus dipertimbangkan. Jika tiang disorongkan ke dalam tanah hingga
mencapai stratum yang kuat, namun diatasnya terdapat lapisan tanah yang lunak, maka
perhitungan daya dukung ujung tiang (end bearing) harus dikoreksi karena adanya gaya
seret (dragload) yang timbul akibat memampatnya tanah lunak tadi. Fenomena ini
biasanya dikenal dengan negative skin friction. Hal-hal khusus semacam ini harus
dipertimbangkan dalam tingkat desain, karena hal ini bisa jadi memicu kegagalan
konstruksi. Hal-hal lain berkenaan dengan metoda pelaksanaan konstruksi juga harus
dipertimbangkan, jika tiang akan dimasukkan ke dalam tanah lunak, yaitu tanah yang
umumnya dikenal memiliki daya dukung yang rendah dan sifat kompressibilitas yang
tinggi.
2.2. Mekanisme Gesekan Kulit Negative
Gesekan kulit negatif (negative skin friction) adalah suatu gaya menyeret ke bawah
(downward drag force) yang ditimbulkan tanah pada tiang. Hal ini dapat terjadi di bawah
beberapa kondisi, seperti berikut ini:
(1) Jika lempung diisikan di atas tanah granular dimana tiang dimasukkan, isian tanah
lempung ini lambat laun akan berkonsolidasi. Proses konsolidasi ini akan
menimbulkan gaya seret ke bawah pada tiang, seperti terlihat pada Gambar 1(a)
selama waktu konsolidasi.
(2) Jika pasir diisikan di atas lapisan lempung lunak, seperti pada Gambar 1(b), ini juga
akan menghasilkan proses konsolidasi pada lapisan lempung dan dengan demikian
akan menghasilkan gaya seret ke bawah juga.
(3) Penurunan muka air tanah akan meningkatkan tegangan vertikal efektif pada tanah.
Ini akan menimbulkan penurunan konsolidasi di tanah lempung. Jika tiang
ditempatkan pada lapisan lempung ini, maka tiang akan juga menderita gaya seret
ke bawah.
(4) Aggaplah pondasi direncanakan akan dipancang sampai lapisan tanah
keras sementara tanah di atasnya adalah lapisan kompresibel. Tanah
Rekayasa Pondasi IIDr. Ir.Pintor T Simatupang MT.Eng
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘11 2
Modul 10
kompresibel ini akan mengalami konsolidasi akibat adanya pertambahan
beban pada permukaan tanah. Selama proses konsolidasi ini tanah akan
bergerak relatif terhadap tiang. Sehingga, menghasilkan tahanan geser
ke bawah di sekeliling tiang. Fenomena ini dikenal dengan istilah
negative skin friction. Gambaran kondisi dimana fenomena ini akan
terjadi dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 1 Gesekan kulit negatif
Gambar 2 Timbulnya Negative Skin Friction
Rekayasa Pondasi IIDr. Ir.Pintor T Simatupang MT.Eng
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘11 3
Modul 10
Adakalanya gaya seret ke bawah ini dapat berlebihan sehingga menyebabkan kegagalan
pondasi. Berikut ini akan diuraikan beberapa metode yang dapat digunakan untuk
menghitung gesekan kulit negatif.
2.3. Metode Das
2.3.1. Lempung Menutupi Lapisan Granular
Kondisi lempung menutupi lapisan granular adalah seperti ditunjukkan pada Gambar 1(a).
Perhitungan gaya seret negative disini mirip dengan metode yang telah diberikan pada
Modul V, tegangan kulit negatif pada tiang dapat diberikan dalam hubungan berikut:
Maka gaya seret ke bawah total, pada sebuah tiang adalah
dimana = tinggi tanah isian. Jika isian di atas muka air tanah, berat isi efektif harus
digantikan oleh berat isi tanah lembab ( ).
2.3.2. Tanah granular menutupi lapisan lempung
Dalam kasus [Gambar 1(b)] ini terdapat cukup bukti untuk menunjukkan bahwa tegangan
kulit negatif pada tiang bisa ada dari , yang dikenal sebagai
kedalaman netral (Vesic, 1977). Kedalaman netral bisa diberikan sebagai (Bowles, 1982)
dimana dan berturut-turut adalah berat isi efektif tanah isian dan lapisan lempung di
bawahnya.
Sekali nilai telah ditentukan, maka gaya seret ke bawah dapat diperoleh dengan cara
berikut ini. Gesekan kulit negatif satuan pada setiap kedalaman dari
adalah
Rekayasa Pondasi IIDr. Ir.Pintor T Simatupang MT.Eng
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘11 4
Modul 10
Maka gaya seret total menjadi
Jika tanah dan isian berada di atas muka air tanah, maka berat isi efektif harus digantikan
dengan berat isi lembab. Kadang-kadang tiang bisa juga dilapisi dengan aspal di daerah
panjang tiang yang potensial seret, sehingga pengaruh seret ini bisa diabaikan.
2.3.2.1 Contoh Soal 1
Mengacu pada Gambar 1(a). . Tiang berpenampang lingkaran dengan diameter
0.305 m. Untuk tanah isian yang berada di atas muka air tanah,
. Tentukanlah gaya seret total ke arah bawah.
Penyelesaian
2.3.2.2 Contoh Soal 2
Mengacu pada Gambar 1(b). , diameter tiang = 0.305 m, ,
, , dan L = 20 m. Letak muka air tanah berimpit
dengan lapisan lempung. Tentukanlah gaya seret ke bawah.
Penyelesaian
Kedalaman hingga ke bidang netral diberikan sebagai
Rekayasa Pondasi IIDr. Ir.Pintor T Simatupang MT.Eng
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘11 5
Modul 10
Perlu diketahui bahwa pada Pers. diatas telah diganti dengan , karena isian berada
di atas muka air tanah. Sehingga
Dan dengan Pers. (5)
2.4. Metode Prakash & Sharma
Besarnya negative skin friction ini dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:
dimana,
= koefisien tekanan lateral tanah
= sudut geser dalam efektif
= tekanan efektif tanah
= tebal efektif lapisan tanah yang mengalami konsolidasi
Prakash dan Sharma (1990) mengusulkan tebal efektif lapisan tanah yang mengalami
konsolidasi tersebut dengan menggunakan persamaan:
Rekayasa Pondasi IIDr. Ir.Pintor T Simatupang MT.Eng
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘11 6
Modul 10
dimana,
= tebal total dari lapisan tanah yang mengalami konsolidasi
Nilai unit skin friction untuk tiang coated dan uncoated dpat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1 Unit Skin Friction untuk Tiang Coated dan Uncoated (Prakash dan Sharma, 1990)
Kondisi tanah dan tiang Unit negative skin friction
(a) uncoated pile
[1]. lapisan lanau dan lempung yang kompresibel, soft
[2]. pasir, loose
(b) coated pile, menggunakan bitumen atau bentonite
Umumnya sudut geser dalam lanau lempungan berpasir adalah . Untuk
dan , unit skin friction diberikan dengan persamaan berikut,
Fill material
Soft soil,Consolidating soil
Bearing soil
Gambar 2 Distribusi dari Negative Skin Friction (Tomlinson, 2002)
2.5. Pendekatan Negative Skin Friction (NSF) Berdasarkan Undrained Strength (Undrained Analysis)
Analisis NSF berdasarkan kondisi tegangan tak salur (undrained strength) adalah analisis
NSF yang berdasarkan kondisi insitu dimana excess pore water pressure dari timbunan
belum terdissipasi. Analisis ini digunakan untuk kondisi short term yang berkenaan
dengan besarnya gaya yang akan dipikul oleh tiang pada saat proses driving selesai.
Rekayasa Pondasi IIDr. Ir.Pintor T Simatupang MT.Eng
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘11 7
Modul 10
Besarnya NSF pada kondisi undrained bisa dihitung dengan menggunakan formula
berikut,
dimana,
= faktor adhesi
= tegangan geser undrained dari nilai N – SPT
= Koeffisien tekanan tanah lateral
= sudut geser dalam antara tiang dan tanah
= tegangan overburden efektif
2.6. Pendekatan Negative Skin Friction (NSF) Berdasarkan Effective Stress (Drained Analysis)
Drained analysis (analisis salur) adalah cara perhitungan NSF untuk kondisi long term.
Dalam perhitungan drained transfer tegangan dari tanah ke tiang berlangsung lambat
sehingga tekanan air pori ekses (excess pore pressure) sempat terdissipasi. Pada kondisi
ini, secara perlahan beban dari timbunan akan dipikul oleh tanah lunak sehingga akan
menimbulkan peningkatan tekanan overburden dan kekuatan tanah. Besarnya NSF untuk
kondisi drained dapat dihitung dengan menggunakan formula seperti di bawah,
dimana,
= tegangan vertikal efektif pada kedalaman z
f = diameter tiang
= panjang effective dari lapisan yang terkonsolidasi yang
menimbulkan negative skin friction. (Prakash
dan Sarma, 1990)
= faktor tak berdimensi
Besarnya nilai No ditujukkan pada Tabel 2.
Rekayasa Pondasi IIDr. Ir.Pintor T Simatupang MT.Eng
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘11 8
Modul 10
Tabel 2 Non-dimensional factor untuk kondisi drained
Soil Type Noa. Uncoated Pile- Sand 0.35 – 0.50- Silt 0.25 – 0.35- Clay 0.20 – 0.25
b. Coated Pile with Bitumen SL pile :
2.7. Kapasitas Ijin Pada Tiang dengan NSF
Khusus untuk kasus tiang pancang dimana diprediksi akan mengalami negative skin
friction, perhitungan daya dukung ijin atau allowable bearing capacitynya adalah sebagai
berikut:
atau
Dari kedua persamaan untuk memperoleh kapasitas ijin tiang dipilih mana yang hasilnya
paling kecil itu yang digunakan sebagai kapasitas ijin tiang pancang.
2.8. Negatife Skin Friction dan Settlement
Perhitungan terdahulu menekankan bahwa pengaruh negative skin friction pada tiang
terletak pada berkurangnya daya dukung dengan adanya tambahan beban seret
(dragload) pada tiang. Namun menurut Fellenius (1984) persoalan negative skin friction
tidak semata-mata terletak pada dragload, tetapi terutama pada timbulnya downdrag
(terseretnya tiang ke bawah) yang mengakibatkan bertambahnya settlement.
Merujuk pada Fellenius (1984), desain tiang dengan mempertimbangkan negative skin
friction, harus menentukan terlebih dahulu neutral plane. Neutral plane adalah sebuah
bidang pada tiang dimana terjadi perubahan dari negative skin friction menjadi positive
skin friction. Bidang ini adalah dimana tidak terdapat perpindahan relatif antara tiang dan
tanah, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.
Pada gambar ini distribusi beban layan yang bekerja pada tiang dinyatakan dengan Qd
dan dimasukkan ke dalam tanah yang reltif homogen, dimana tegangan geser yang
bekerja disepanjang tiang akibat perpindahan relatif merupakan fungsi tegangan effective
overburden. Diasumsikan bahwa excess pore pressure telah terdissipasi dan pore
Rekayasa Pondasi IIDr. Ir.Pintor T Simatupang MT.Eng
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘11 9
Modul 10
pressure terdistribusi secara hidrostatis. Untuk penyederhanaan, aggaplah tegangan
geser sepanjang tiang diasumsikan tidak bergantung pada arah perpindahan, yaitu
negative skin friction, qn arahnya sama dengan tahanan positif, rs. Diasumsikan juga
bahwa tahanan ujung Rt ada. Gaya seret, Qn adalah jumlah negative skin friction di
seluruh tiang dan Rs adalah jumlah dari seluruh tahanan gesek tiang. Dengan kondisi ini
maka lokasi neutral plane dapat ditentukan.
Gambar 3 Definisi dan diagram neutral plane (Fellenius, 1984)
Gambar 4 memberikan illustrasi bagaimana lokasi dari neutral plane untuk tiang pada
Gambar 3 berubah dengan berubahnya beban yang diberikan pada kepala tiang, dan
dengan demikian juga berubahnya dragload. Jika diasumsikan settlement tanah di sekitar
tiang seperti yang diperlihatkan pada bagian kanan dari Gambar 4 untuk kasus beban
layan medium, dengan menggambarkan garis horizontal dari neutral plane hingga
berpotongan dengan kurva settlement, maka settlement pada neutral plane dapat
ditentukan. Settlement kepala tiang adalah settlement ini ditambah dengan kompressi
tiang akibat beban. Illustrasi pada gambar ini dibuat untuk baik pada settlement yang kecil
yang berkurang drastis dengan kedalaman maupun untuk settlement besar. Jika
settlement kecil, maka perpindahan ujung tiang tidak cukup besar untuk memobilisasi
seluruh tahanan ujung. Dalam hal ini, neutral plane akan bergerak ke lokasi yang lebih
tinggi sebagaimana yang ditentukan oleh kondisi kesetimbangan tertentu.
Rekayasa Pondasi IIDr. Ir.Pintor T Simatupang MT.Eng
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘11 10
Modul 10
Gambar 4 Menentukan settlement tiang (Fellenius, 1984)
2.9. Lapisan Bitumen
Jika perhitungan menunjukkan pengaruh negative skin friction adalah signifikan, maka
beberapa upaya dapat dilakukan untuk mengurangi pengaruh ini. Sebagai contoh,
dengan menambah panjang tiang serta mengurangi diamater tiang. Namun jika cara ini
tidak praktis atau ekonomis, maka pengaruh negative skin friction dapat dikurangi
dengan melapisi tiang dengan bahan-bahan bitumen (bituminous coating)
sebelum tiang dipasang.
Referensi
[1]. Bowles, J.E.: Foundation Analysis and Design, 4th ed., Mc-Graw-Hill, New York,
1988.
[2]. Das, B.M.: Principles of Foundation Engineering, PWS Publishers, Boston, 1984.
[3]. Meyerhof, G.G.: Bearing capacity and settlement of pile foundations, Journal of the
Geotechnical Engineering Divisions, ASCE, Vol. 102, No. GT3, pp. 197-228,
[4]. Teng, W.C.: Foundation Design, Prentice-Hall, New Jersey, 1962.
[5]. Tomlinson, M.J.: Pile Design and Construction Practice, A Viewpoint Publication,
Cement and Concrete Association, 1977.
[6]. Tschebotarioff, G.P.: Foundation, Retaining and Earth Structures, 2nd ed., Mc-Graw-
Hill, New York, 1973.
[7]. Vesic, A.S.: Experiment with instrumented pile groups in sand, American Society for
Testing and Materials; Special Technical Publication, No. 444, pp. 177-222, 1969.
[8]. Vesic, A.S.: Test on instrumented piles-Ogeechee River site, Journal of the Soil
Mechanics and Foundations Divisions, ASCE, Vol. 96, No. SM2, pp. 561-584, 1970.
[9]. Vesic, A.S.: Design of Pile Foundations, National Cooperative Highway Research
Program Synthesis of Practice No. 42, Transportation Research Board, Washington,
D.C., 1977.
Rekayasa Pondasi IIDr. Ir.Pintor T Simatupang MT.Eng
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘11 11