Teknologi untuk Mencegah Jembatan Tenggelam

 (practical.engineering)
1 poin oleh GN⁺ 2024-07-04 | 1 komentar | Bagikan ke WhatsApp
  • Karena jembatan harus menyisakan ruang kosong di bawahnya agar sungai, rel kereta, atau jalan dapat lewat, beban struktur atas terkonsentrasi pada pilar jembatan dan abutmen, sehingga diperlukan fondasi dalam yang mampu bertahan bahkan di tanah sungai atau laut yang lunak
  • Fondasi tiang menahan beban vertikal dengan memasukkan elemen panjang ke dalam tanah melalui pemancangan atau pengeboran, mengandalkan daya dukung ujung saat mencapai lapisan tanah keras dan gesekan selimut dengan tanah di sekitarnya
  • Tiang pancang bekerja seolah proses pemasangannya menjadi semacam verifikasi beban, tetapi memiliki keterbatasan seperti kebisingan dan getaran, pengangkatan tanah, penyimpangan jalur, serta kesulitan menembus lapisan tanah keras
  • drilled shaft, yaitu tiang cor di tempat, dibuat dengan menggali lubang lalu memasukkan tulangan dan beton; di bawah air, casing dan tremie digunakan untuk mencegah lubang runtuh dan beton tercampur air
  • Kasus penurunan Millennium Tower dan pilar Tampa Lee Roy Selmon Expressway pada 2004 menunjukkan bahwa fondasi dalam pun dapat gagal, dan kompleksitas geoteknik dapat berujung pada masalah biaya dan jadwal

Mengapa beban jembatan terkonsentrasi ke tanah

  • Inti dari jembatan bukan sekadar “melintasi” sesuatu, melainkan menyediakan ruang kosong di bawahnya agar sungai, rel kereta, atau jalan dapat lewat
  • Pada jalan biasa, gaya diteruskan langsung ke tanah, tetapi pada jembatan, gaya yang bekerja pada bentang berkumpul di pilar jembatan atau abutmen di kedua sisi
  • Struktur bawah dirancang sangat kuat, tetapi lokasi pemasangan sebenarnya sering kali tidak ideal untuk menerima beban
    • Sungai dan laut banyak memiliki tanah yang lunak dan becek, sehingga tidak mampu menopang beban besar dengan baik
    • Banyak fondasi jembatan dipasang di bawah air
  • Jika tanah menerima beban yang tidak sanggup ditahannya, terjadi kegagalan daya dukung, dan fondasi tenggelam ke dalam tanah
  • Konsep memberikan beban terus-menerus sehingga elemen masuk lebih dalam ini berujung pada komponen struktur yang banyak digunakan, yaitu tiang fondasi

Material dan prinsip pemasangan tiang pancang

  • Tiang adalah elemen struktur berbentuk kolom panjang yang dipancang atau dibor ke dalam tanah
  • Volume 1 Design and Construction of Driven Pile Foundations dari Federal Highway Administration memiliki lebih dari 500 halaman, dan kerumitan rekayasa terkaitnya terlihat dari fakta bahwa pendahuluan baru muncul setelah 11 halaman simbol dan 2 halaman singkatan
  • Sejarah tiang pancang mundur hingga masa sebelum catatan tertulis, dan konsep dasarnya adalah memukul batang masuk ke tanah

  • Karakteristik berdasarkan material tiang

    • Tiang kayu
      • Murah, tahan terhadap gaya pemancangan, dan mudah dipasang
      • Dapat membusuk, panjangnya terbatas oleh ukuran pohon, dan kekuatannya lebih rendah daripada material alternatif
    • Tiang beton
      • Dibuat dalam berbagai ukuran dan bentuk, serta banyak digunakan untuk fondasi dalam
      • Harus berukuran besar agar mampu menahan gaya yang dibutuhkan saat dipancang ke tanah; sebagian tiang beton memiliki lebar 30 inci atau 75 cm lebih
    • Tiang baja
      • Dapat dibuat lebih ramping daripada beton
      • Bentuk utamanya adalah pipe pile dan H-pile

  • Mengapa dipancang dengan palu

    • Untuk mendorong tiang masuk dalam, diperlukan reaksi dengan besar yang sama
    • Alih-alih memakai beban raksasa atau struktur kuat yang ditambatkan ke tanah, biasanya digunakan palu
    • Energi potensial dari massa yang relatif kecil yang dijatuhkan dari ketinggian berubah menjadi energi kinetik, dan gaya yang menghentikan jatuhnya diteruskan ke tiang
    • Banyak pile driver menghasilkan gaya yang diperlukan dengan palu besar atau kepala getar

Cara tiang menahan beban

  • Tujuan utama fondasi adalah tidak bergerak meski menerima beban
  • Terhadap beban vertikal, tiang menahan terutama dengan dua cara

  • Daya dukung ujung dan gesekan selimut

    • Daya dukung ujung adalah cara tiang menahan beban lebih besar saat ujung tiang, atau toe, mencapai lapisan tanah keras atau lapisan batuan
    • Geologi nyata lebih kompleks daripada konsep sederhana “bedrock”, dan tidak selalu ada lapisan keras pada kedalaman yang masuk akal
    • Gesekan selimut atau shaft resistance adalah cara tanah di sekitar menjadi padat dan rapat selama proses pemancangan, lalu menghasilkan gesekan dengan permukaan dinding tiang
    • Semakin dalam tiang masuk, semakin besar tahanan geseknya

  • Karakteristik bahwa pemasangan itu sendiri menjadi verifikasi

    • Saat tiang dipukul berulang kali dengan palu yang dijatuhkan dari ketinggian yang sama, pada awalnya tiang masuk sejumlah kedalaman tertentu, lalu lambat laun perpindahan per pukulan berkurang
    • Titik saat tiang hampir tidak bergerak secara teknis disebut telah mencapai refusal
    • Jika jumlah pukulan pemancangan menurut kedalaman diplot dalam grafik, terlihat bahwa tahanan terhadap beban vertikal meningkat seiring tiang masuk lebih dalam
    • Ungkapan “A Driven Pile is a Tested Pile” dari Pile Driving Contractors Association menunjukkan sifat tiang pancang yang dapat memastikan selama proses pemasangan bahwa tiang mampu menahan gaya tertentu
    • Jika tahanan yang cukup belum terlihat, dalam banyak kasus tiang dapat dipancang lebih dalam untuk mencapai tahanan yang diinginkan

Beban horizontal dan keterbatasan tiang pancang

  • Struktur tidak hanya menerima gaya tekan ke bawah
  • Bangunan menerima beban horizontal dari angin, dan jembatan juga dapat menerima beban horizontal dari aliran air, es, atau kontak dengan kapal
  • Gaya apung akibat banjir atau angin kencang dapat menciptakan beban tarik yang berlawanan dengan gravitasi
  • Kondisi tanah di sekitar jembatan dapat berbeda antara segera setelah konstruksi dan setelah beberapa kali banjir
    • Insinyur harus memperkirakan gerusan dengan mempertimbangkan perubahan dasar sungai alami dan perubahan yang ditimbulkan oleh jembatan itu sendiri
    • Fondasi harus dirancang agar tetap mempertahankan kekuatannya dalam kondisi tanah yang berubah dalam jangka panjang
  • Beban pilar disalurkan dan didistribusikan ke tiang melalui pile cap
  • Jika beban horizontal besar diperkirakan terjadi, digunakan battered pile, yaitu sebagian tiang dipasang miring
    • Tiang miring memanfaatkan gesekan selimut dengan lebih baik untuk meningkatkan kekuatan fondasi terhadap beban horizontal

  • Keterbatasan tiang pancang

    • Pemasangan tiang pancang menimbulkan kebisingan dan getaran besar, sehingga sulit diterima di kawasan perkotaan yang padat
    • Getaran pemasangan dapat memengaruhi infrastruktur di sekitarnya
    • Dalam banyak kasus, tiang harus dirancang untuk menahan gaya selama pemasangan yang jauh lebih besar daripada beban struktur akhir
    • Tidak mudah menembus lapisan geologi keras, kerikil, atau batu besar
    • Karena jalur pergerakan di bawah tanah tidak dapat dilihat langsung, tiang dapat menyimpang dari jalurnya
    • Karena tanah didorong masuk tanpa dibuang, dapat terjadi pengangkatan tanah

Drilled shaft dan pekerjaan beton bawah air

  • drilled shaft dibuat dengan mengebor lubang dalam, memasukkan tulangan, lalu mengisinya dengan beton
  • Manual Drilled Shafts: Construction Procedures and Design Methods dari FHWA memiliki 747 halaman
  • Pada tanah lunak atau kondisi basah, casing digunakan agar dinding lubang tidak runtuh
    • Casing biasanya dipasang mengikuti auger saat penggalian berlangsung
    • Meski casing naik hingga di atas permukaan air, air tetap dapat merembes masuk dari dasar
  • Rasio air-semen pada beton penting untuk kekuatan dan kinerja, sehingga jika beton dijatuhkan begitu saja di bawah air, beton akan bercampur dengan air dan menjadi encer
  • Tremie adalah pipa yang diturunkan hingga dasar lubang; jika ujungnya dijaga tetap berada di bawah permukaan beton, beton tidak bercampur dengan air
  • Beton lebih padat daripada air, sehingga mengisi lubang dari bawah dan mendorong air ke atas

  • Metode casing dan pile cap

    • Dalam pemasangan bawah air, casing sering dibiarkan tetap berada di tempatnya
    • Dengan memanfaatkan casing, alih-alih membuat cofferdam besar dan mengeringkan area kerja, pile cap dapat dibuat di dalam air atau dinaikkan ke atas permukaan air sehingga mengurangi kompleksitas konstruksi
    • high rise pile cap seperti ini banyak digunakan pada turbin angin lepas pantai
    • Bergantung pada situasi, setelah beton terisi, casing dapat dicabut untuk menghemat biaya pipa baja raksasa
    • Tekanan beton dapat bekerja pada dinding lubang dan mencegah tanah runtuh
    • Drilled shaft dapat dibuat jauh lebih besar daripada tiang pancang, sehingga dalam beberapa kasus tidak diperlukan banyak tiang dan pile cap
    • Turbin angin, rambu jalan tol, dan struktur serupa dapat didirikan di atas mono-pile foundation berupa satu drilled shaft
    • Reaming, yaitu memperlebar dasar drilled shaft, memperbesar luas permukaan toe sehingga dapat mengurangi kecenderungan penurunan dan juga membantu menahan gaya tarik

Berbagai fondasi dalam dan contoh kegagalan

  • Sistem fondasi dalam tidak terbatas pada tiang pancang dan drilled shaft
  • Continuous flight auger pile menggunakan hollow-stem auger untuk pada dasarnya menangani penggalian dan pengecoran beton dalam satu tahap, lalu tulangan dimasukkan ke beton yang masih basah
  • stone column atau merek dagang Geopier adalah metode mengisi lubang dengan agregat yang dipadatkan alih-alih beton ketika hanya beban tekan yang dipertimbangkan
  • helical pile atau screw pile dimasukkan ke tanah dengan diputar, bukan dipukul, sehingga mengurangi getaran dan gangguan
  • micropile lebih menyerupai drilled shaft kecil yang digunakan saat ada keterbatasan akses atau kendala geologi
  • sheet pile adalah tiang yang dipancang untuk membuat dinding atau penghalang, bukan terutama fondasi

  • Fondasi dalam pun dapat gagal

    • Tiang biasanya jauh lebih kuat daripada fondasi dangkal, tetapi tetap dapat gagal
    • Millennium Tower di San Francisco adalah contoh gedung tinggi di atas fondasi tiang yang tenggelam ke dalam tanah dan miring
    • Sebagian besar tampaknya sudah diperbaiki, tetapi masih sesekali muncul di berita
    • Pada 2004, pilar Lee Roy Selmon Expressway di Tampa, Florida, mengalami penurunan lebih dari 11 kaki atau 3 m selama konstruksi karena geologi yang kompleks
    • Biaya pemulihannya mencapai 90 juta dolar, dan penyelesaian proyek tertunda 1 tahun
    • Dalam desain yang menyerahkan beban berat kepada tanah, ilmu dan teknologi geoteknik memegang peran besar

Bacaan terkait

1 komentar

 
GN⁺ 2024-07-04
Opini Hacker News

  • Saya sangat menyukai slogan Pile Driving Contractors Association, “A Driven Pile is a Tested Pile”
    Logikanya, begitu tiang pancang dipancangkan, pada saat itu juga sudah terbukti bahwa ia mampu menahan gaya tertentu; jika tahanannya kurang, biasanya tinggal dipancang lebih dalam sampai tahanan yang cukup tercapai

    • Pada beban statis yang lambat, ia bisa saja turun, tetapi tampaknya mungkin tetap bertahan terhadap tumbukan dinamis
      Likuifaksi tanah adalah fenomena yang aneh, dan terlihat mirip Silly Putty yang lunak jika disentuh perlahan tetapi mengeras jika diberi benturan cepat
    • Banyak orang mengatakan hal serupa tentang kode mereka sendiri
    • Dari kalimat “dalam kebanyakan kasus, cukup terus pancangkan ke bawah sampai tahanan yang memadai tercapai”, kasus ketika metode itu justru tidak berhasil rasanya akan menjadi cerita yang menarik untuk didengar
      Saya penasaran apakah mereka hanya terus memancang untuk waktu yang sangat lama, dan seberapa lama itu
    • Saya penasaran bagaimana pengujian itu bertahan terhadap likuifaksi saat gempa
    • Pengujian pada saat pemasangan bukan berarti pengujian itu tetap valid 30 tahun kemudian

  • Alasan bentuk baja yang sama disebut I-beam sekaligus H-pile adalah karena bentuk aktualnya berbeda
    Balok berbentuk I bertujuan mengumpulkan massa pada flensa untuk menghadapi lentur, sehingga web-nya lebih ramping, sedangkan tiang H cenderung memiliki ketebalan web yang mirip tebal flensa karena beban aksial dan kemudahan konstruksi
    Dalam bentuk standar, balok I dibagi menjadi penampang W (wide flange) dan S, sedangkan balok H disebut penampang HP
    Dalam pekerjaan fondasi, keduanya kadang ditentukan sebagai pengganti satu sama lain, tetapi untuk struktur di atas tanah biasanya lebih sering dipilih penampang yang lebih efisien seperti W atau S daripada HP

    • Saat kuliah, saya lebih sering bergaul dengan mahasiswa arsitektur daripada mahasiswa ilmu komputer, dan W flange yang mereka sebutkan terdengar bagi saya seperti I-beam
      Saya tidak sampai bertanya atau mencoba mengoreksi, karena kalau begitu saya mungkin akan menjadi orang yang cukup merepotkan
    • Sebagai latar belakang, elemen horizontal pada penampang berbentuk I disebut flange, dan elemen vertikalnya disebut web
      Gambar rujukan: [https://en.wikipedia.org/wiki/File:I-BeamCrossSection.svg](https://en.wikipedia.org/wiki/File:I-BeamCrossSection.svg)

  • Gagasan “bagaimana kalau terus menambah beban agar tenggelam lebih dalam?” tampak seperti teknik rekayasa dasar yang dipakai ayah Herbert di daerah rawa dalam Monty Python and the Holy Grail
    https://m.youtube.com/watch?v=w82CqjaDKmA

    • Saat pertama datang ke sini, semuanya rawa
      Semua orang bilang membangun kastel di atas rawa itu gila, tapi saya membangunnya juga, dan kastel itu tenggelam ke rawa
      Kastel kedua juga tenggelam, kastel ketiga terbakar, runtuh, lalu tenggelam ke rawa, tetapi kastel keempat bertahan
      Jadi dialognya, yang akan kau warisi adalah kastel paling kokoh di kepulauan ini
    • “Suatu hari nanti semua ini akan menjadi milikmu, Nak!”
      “Apa, gordennya?”

  • Bedrock yang diberi tanda kutip adalah konsep yang sederhana, tetapi geologi sebenarnya jauh lebih rumit
    Bedrock memang selalu ada, tetapi di beberapa tempat tiang pancang harus sangat panjang untuk mencapainya
    Misalnya, endapan kerikil di selatan München disebut sedalam 100m (330ft) dan makin dangkal ke arah utara
    https://en.wikipedia.org/wiki/Munich_gravel_plain

    • Otira Gorge Viaduct di Selandia Baru menopang jalan raya yang melintasi Southern Alps, dan fondasinya berada di atas lapisan talus dalam yang terbentuk dari runtuhan Hills Peak selama berabad-abad
      Karena pergerakan batuan itu, viaduk dibangun untuk menggantikan jalan lama, dan akibat erosi lereng, jalan harus dipindahkan makin ke atas sambil menambahkan lebih banyak tikungan hairpin pada Zig Zag yang terkenal buruk
      Runtuhan batu juga membuat jalan itu berbahaya, dan mereka mencoba mencapai bedrock, tetapi letaknya terkubur terlalu dalam
      https://teara.govt.nz/files/p-8788-gns.jpg
      https://www.stuff.co.nz/national/117150792/awardwinning-otir...

  • Ada jembatan yang tidak tenggelam. Karena mengapung
    https://en.wikipedia.org/wiki/Nordhordland_Bridge

  • Dokumenter konstruksi Brooklyn Bridge dari Ken Burns sangat menarik karena membahas teknik rekayasa dan tantangan yang inovatif pada masa akhir abad ke-19
    Durasinya juga pendek, sekitar 1 jam, jadi sangat direkomendasikan
    https://kenburns.com/films/brooklyn-bridge/

  • Perusahaan pemancangan tiang Jepang Giken punya video-video rekayasa yang bagus, menampilkan teknologi pemancangan tiang tanpa bising dan contoh penggunaan yang unik
    Ada juga contoh seperti membendung aliran lava atau membuat tempat parkir sepeda bawah tanah di pusat kota
    https://www.youtube.com/@GikenGroup/videos

  • Hari ini saya belajar bahwa “Piledriver” ternyata bukan diciptakan di WWE

    • Memang bukan WWE yang menciptakannya, tetapi WWE yang menyempurnakannya

  • Sebagian jembatan memang sengaja dibuat tenggelam, dan sebagian lagi tenggelam karena salah desain
    https://en.wikipedia.org/wiki/Submersible_bridge, https://en.wikipedia.org/wiki/Lacey_V._Murrow_Memorial_Bridg...

  • Penulisnya adalah Grady Hillhouse
    Video: https://www.youtube.com/channel/UCMOqf8ab-42UUQIdVoKwjlQ
    Blog: https://practical.engineering/blog/
    Feed: https://practical.engineering/blog?format=rss